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基于玻色─爱因斯坦凝态的重力波微型探测器,新研究:还无法实现

2024-12-24 237

由黑洞或中子星碰撞产生的重力波波幅相当微小,虽然人类已有技术可以探测,但所需的仪器设备横跨数千公里,因此物理学家开始讨论是否可藉玻色─爱因斯坦凝态之力。遗憾的是,来自德累斯顿工业大学理论物理学家 Ralf Schützhold 最新研究表明,该方法目前只能以失败告终。

玻色─爱因斯坦凝态(Bose-Einstein condensate)是指玻色子原子在冷却到接近绝对零度时,所呈现一种气态、超流性的物质状态,最早由萨特延德拉·玻色和爱因斯坦在 1924 年预测,1995 年时美国科学家 Eric Cornell 及 Carl Wieman 首度造出玻色─爱因斯坦凝态。

在玻色─爱因斯坦凝态下,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,此时原子可说“同步”运动,而物理学家便想像,重力波可以改变凝态原子中的声子(phonon),Ralf Schützhold 解释,就像地震产生的波可能在水面造成涟漪,此时只要测量声子变化就可探知重力波。

如此一来,我们就有机会打造出“微型”重力波探测设备,不像 LIGO 必须靠分散在遥远两地的激光干涉仪捕捉重力波。

但这个想法能实验吗?Ralf Schützhold 的新研究认为不太乐观。目前,要构成含有 100 万个原子的凝态已达技术极限,但想探测到重力波对凝态原子的影响,所需原子数远远超过 100 万个,也许玻色─爱因斯坦凝态能帮助我们了解重力如何作用,但要追踪来自极远方又微小的重力波,目前还是只能靠激光干涉仪天文台。

在开发微型重力波探测设备的那天到来之前,Ralf Schützhold 指出了另一个线索:超冷氦。当氦最丰富的同位素氦-4 冷却到 2.17 K(−270.98°C)时会变成超流体,虽然没有玻色─爱因斯坦凝聚那么纯粹,但至少有 10% 原子会“同步”,或许可考虑当作另一种探测重力波的方法。

  • Mini-detectors for the gigantic? Bose-Einstein condensates are currently not able to detect gravitational waves
  • Physicists Struggling to Observe Gravitational Waves Using Bose-Einstein Condensates

(首图来源:pixabay)

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2019-03-11 08:31:00

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