斯坦福大学正建造另一种引力波探测器，藏在地下的原子干涉仪

斯坦福大学正建造另一种引力波探测器，藏在地下的原子干涉仪

斯坦福大学地下室深处藏着一根10米高的管子，它被包裹在一个金属笼子里，并用电线覆盖着。一道屏障将它与主房间隔开，在主房间之外，圆柱体跨越三层楼高，成为一个容纳超冷原子的装置，准备向上发射。堆满激光向原子发射的桌子（并分析它们对引力等力的反应）填满了实验室的其余部分。该管是一个原子干涉仪，一种定制的装置，设计用于研究原子的波性质，根据量子力学，原子以粒子和波的形式同时存在。这个仪器可以用来探测引力波，引力波是天文物体产生时空扰动的微小涟漪（如中子星碰撞合并等）。

该仪器还可以揭示宇宙的另一个奥秘：暗物质。起初斯坦福大学实验物理学家Jason Hogan和Mark Kasevich从未打算让他们的设备以这种方式实现。当Hogan开始他在Kasevich实验室的研究生学习时，他转而专注于测试引力对原子的影响。

但与理论物理学家、物理学教授Savas Dimopoulos和研究生们的谈话（经常被卡塞维奇办公室对面大厅里的一台浓缩咖啡机引诱下楼）让他们开始考虑它作为高灵敏度探测器的用途。斯坦福大学人文与科学学院物理学和应用物理学教授Kasevich说：我们只是在谈论物理学，就像物理学家经常做的那样。

一件事导致了另一件事，这个小组达成了一个大胆的计划：创造一个原子干涉仪，能够探测到以前没有人见过的引力波。其想法与另一股席卷物理学的浪潮相契合，这股浪潮包含了为其他目的而开发的精致灵敏的仪器，以回答关于自然的基本问题。早在2015年，激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了两个超大质量黑洞之间13亿年碰撞的简短信号。从那时起，LIGO已经编目了更多穿过地球的引力波，为天文学家提供了一个研究宇宙的强大新镜头。引力波是时空中的涟漪，很像海浪，只不过它们扭曲了空间，而不是水。

理论上，任何加速的质量，无论是挥动的手还是轨道上的行星，都会产生引力波。然而，这些运动发生在远低于我们探测它们能力的水平上。只有来自巨大天文现象的引力波才会引起足够大的时空变化，以至于地球上的传感器都可以识别它们。正如不同的频率构成电磁频谱一样，引力波也是不同的。LIGO和其他电流引力波探测器探测到一个非常窄的范围（高频波，比如两个黑洞碰撞时的高频波）但引力波谱的其他部分仍未被 探索 。就像天文学家可以通过研究恒星的紫外光和可见光来了解新情况一样。

分析其他引力波频率数据可能有助于解决目前无法触及的太空之谜，包括关于早期宇宙的奥秘。人文与科学学院(School Of Humanities And Sciences)的物理学助理教授霍根(Hogan)说：发现了一个光谱区域，其他任何探测器都没有很好地覆盖，它恰好与我们已经在开发的方法相匹配。建造了10米高的原子干涉仪来测试这些想法。然而，为了提高设备的灵敏度（探测小于质子宽度的时空摆动所必需）需要一个更大的探测器。因此，100米的物质波原子梯度计干涉传感器，或称MAGIS-100，实验诞生了。

在戈登和贝蒂·摩尔基金会(Gordon And Betty Moore Foundation)980万美元赠款的帮助下，科学家们计划在位于伊利诺伊州的能源部国家实验室Fermilab建造一个现有地下竖井，Magis-100的新家。费米实验室参与该项目的高级科学家罗布·普朗克特(Rob Plunkett)说：可以在地面上找到洞，但要在地面上找到一个连接实验室的洞有点困难。从概念上讲，Magis-100的工作方式与LIGO类似，这两个实验都利用光来测量两个测试质量之间的距离，就像雷达测距一样。但是，虽然LIGO有镜子，但Magis-100更倾向于原子。

事实证明，原子对于这些目的来说，是一个令人惊异的测试质量。科学家们有非常强大的技术来操纵它，让它对所有背景噪声源都不敏感。LIGO的镜子挂在玻璃线上，这意味着地震可能会触发它的传感器。另一方面，MAGIS-100在某些地方有措施防止这些外来噪声源影响其数据。在被冷却到绝对零度以上的程度后，原子就像从水龙头滴落的水滴一样垂直下降到轴中。寒冷的温度使原子处于静止状态，因此它们在下降时保持不动，因为轴是真空的，原子直线下降，没有偏离轨道的风险。

竖井的垂直方向也确保了震动的地球不会影响测量。然后，激光操纵下降的原子，研究小组可以测量它们处于激发状态的时间。Hogan和Kasevich希望使用锶作为测试质量（与原子钟中使用的元素相同）以确定当光激发原子时是否存在任何时间延迟，延迟将表明引力波通过。此外，Magis-100科学家可以使用原子数据来测试暗物质模型做出的预测。根据一些模型，暗物质的存在可能导致原子能级变化，超灵敏的激光技术允许Plunkett和合作者寻找这些变化。

Magis-100是一个原型，朝着建造一个更大的设备迈出了又一步，它的灵敏度要高出许多倍。Hogan和Kasevich表示，设想有一天能在LIGO的规模上建造一些东西，LIGO长4公里。因为未来的全尺寸Magis-100应该能探测到1赫兹左右的低频引力波，比如从两个围绕彼此旋转黑洞发射的引力波，所以它可以识别出LIGO已经看到的相同事件，但在质量真正碰撞之前。因此，这两个实验可以相辅相成。可以制造一个探测器，可以看到同样的系统，但要年轻得多。

先进的Magis式探测器也可能发现LIGO雷达下飞行的引力波来源。例如，原始引力波在大爆炸之后产生。探测起源于早期宇宙的引力波可以揭示实际发生的事情。没有人知道这些原始引力波的频率，也没有人知道未来的大规模探测器能否探测到它们。科学家认为应该建立尽可能多的探测器，以便覆盖广泛的频率范围，并简单地看到外面有什么。令人兴奋的已知来源是这些类似LIGO的来源，然后是未知的，我们也应该对此持开放态度。