科學家提出新方法用原子光探測引力波

利用原子光探測引力波的新方法

引力波會根據光的發射方向改變原子所發光的頻率（顏色）。對這些頻率變化的精確測量，可為探測引力波提供一種新方法。

一項新的理論研究指出，引力波可能在巨大的探測器中留下細微的痕跡，而是在原子發出的光中留下微妙的跡象。

引力波是宇宙中一些最極端事件引發的時空微弱波動，包括碰撞的黑洞。

迄今為止，科學家主要通過監測千米尺度儀器（約0。6英里）上極其微小的距離變化來探測它們。諸如LIGO之類的設施已證實該方法可行，但該技術依賴于建造大型探測器以感知極其細微的時空畸變。

一項發表在《物理評論快報》上的新理論研究提出了一種不同的思路。來自斯德哥爾摩大學、北歐理論物理研究所（Nordita）和圖賓根大學的研究人員建議，通過觀測引力波對原子所發光的影響來實現引力波的探測。盡管該構想勾勒出一種潛在的探測方法，但目前尚未開展實驗驗證。

原子如何揭示引力波

受激原子會通過發射特定頻率的光而自然地躍遷至較低能級，這一量子過程稱為自發輻射。該過程源于原子與量子化電磁場之間的相互作用。

引力波會調制量子場，進而影響自發輻射過程，斯德哥爾摩大學博士研究生耶日帕喬斯表示，這種調制可使所發射光子的頻率相對于無引力波情形發生偏移。

研究人員預測，這種輻射具有方向依賴性。原子仍會以相同的總體速率發射光子，這有助于解釋為何該效應此前一直未被察覺；但所發射光子的頻率會因發射方向不同而有所變化。這種方向性模式可能攜帶著引力波傳播方向和偏振狀態的信息，從而更易于將真實信號與背景噪聲區分開來。

為什么這個想法很重要

低頻引力波是未來空間引力波觀測臺的重點探測目標。研究團隊指出，原子鐘系統中采用的窄線寬光學躍遷可實現較長的相互作用時間，因此冷原子系統有望成為驗證這一概念的有效平臺。

原子發出的光就像一個穩定的音調，但經過的引力波會微妙地改變在不同方向上聽到這個音調的方式。我們的研究結果可能為緊湊型引力波探測開辟一條新路徑，其中所涉及的原子系綜尺度僅為毫米級，斯德哥爾摩大學博士后研究員納文德阿亞表示，要評估其實際可行性，還需進行詳盡的噪聲分析，但我們的初步估算結果令人鼓舞。

引力波對自發輻射的影響印記 作者：耶日帕喬斯、納文迪普阿亞、索菲亞克瓦福特、丹尼爾布勞恩、瑪格達萊娜齊赫 發表于《物理評論快報》

資助方：克努特與愛麗絲瓦倫堡基金會、瓦倫堡網絡與量子信息倡議計劃、瑪麗斯克沃多夫斯卡居里行動計劃、歐盟歐洲創新理事會路徑探索項目量子通信與測量

引力波的首次直接探測發生在2015年，由激光干涉引力波天文臺（LIGO）完成，這一發現證實了百年前的理論預測，并開啟了引力波天文學的新紀元。不同于電磁波，引力波幾乎不受物質阻擋，能夠攜帶關于宇宙極端環境的原始信息，為人類探索黑洞、中子星等致密天體提供了全新手段。

探測引力波依賴于極其精密的儀器，例如LIGO和歐洲的Virgo探測器，它們通過測量激光在數公里長臂中的微小長度變化來感知時空的扭曲。這種變化通常小于一個質子直徑的千分之一，因此需要排除地震、熱噪聲乃至量子漲落等多種干擾因素，技術挑戰極高。

引力波研究不僅深化了我們對引力本質的理解，還為檢驗廣義相對論在強場條件下的有效性提供了實驗平臺。隨著更多探測器的加入和靈敏度的提升，未來科學家有望利用引力波繪制宇宙演化圖景，甚至探索宇宙誕生初期的奧秘。

BY: Stockholm University

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自： https://scitechdaily.com/scientists-propose-a-radical-new-way-to-detect-gravitational-waves-using-atomic-light/

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