基於玻色─愛因斯坦凝態的重力波微型探測器,新研究:還無法實現

作者 | 發布日期 2018 年 12 月 22 日 10:59 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly


由黑洞或中子星碰撞產生的重力波波幅相當微小,雖然人類已有技術可以探測,但所需的儀器設備橫跨數千公里,因此物理學家開始討論是否可藉玻色─愛因斯坦凝態之力。遺憾的是,來自德勒斯登工業大學理論物理學家 Ralf Schützhold 最新研究表明,該方法目前只能以失敗告終。

玻色─愛因斯坦凝態(Bose-Einstein condensate)是指玻色子原子在冷卻到接近絕對零度時,所呈現一種氣態、超流性的物質狀態,最早由薩特延德拉·玻色和愛因斯坦在 1924 年預測,1995 年時美國科學家 Eric Cornell 及 Carl Wieman 首度造出玻色─愛因斯坦凝態。

在玻色─愛因斯坦凝態下,幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態,此時原子可說「同步」運動,而物理學家便想像,重力波可以改變凝態原子中的聲子(phonon),Ralf Schützhold 解釋,就像地震產生的波可能在水面造成漣漪,此時只要測量聲子變化就可探知重力波。

如此一來,我們就有機會打造出「微型」重力波探測設備,不像 LIGO 必須靠分散在遙遠兩地的雷射干涉儀捕捉重力波。

但這個想法能實驗嗎?Ralf Schützhold 的新研究認為不太樂觀。目前,要構成含有 100 萬個原子的凝態已達技術極限,但想探測到重力波對凝態原子的影響,所需原子數遠遠超過 100 萬個,也許玻色─愛因斯坦凝態能幫助我們了解重力如何作用,但要追蹤來自極遠方又微小的重力波,目前還是只能靠雷射干涉儀天文台。

在開發微型重力波探測設備的那天到來之前,Ralf Schützhold 指出了另一個線索:超冷氦。當氦最豐富的同位素氦-4 冷卻到 2.17 K(−270.98°C)時會變成超流體,雖然沒有玻色─愛因斯坦凝聚那麼純粹,但至少有 10% 原子會「同步」,或許可考慮當作另一種探測重力波的方法。

(首圖來源:pixabay

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