有史以来最小、最精确的测量需要有史以来最大的科学仪器之一。五年前，激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到时空中的涟漪，其宽度仅为质子的万分之一——这是一项技术上的杰作，相当于精确测量到最近恒星的距离，误差为千分之三厘米。“小人国”般的涟漪是引力波，是宇宙结构中的一种扭曲，由超过十亿光年之外的两个黑洞碰撞产生。
根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，任何大质量物体的加速都会在时空中产生波，就像轮船在水中搅动出波浪一样。然而，爱因斯坦本人认为引力波太弱而无法探测到。他并非过度悲观。LIGO的四公里长干涉仪——于1999年建成，并于2001年开始搜索引力波——花了13年时间才最终发现一个。这一发现标志着天文学新领域的开始，并为该天文台的三位物理学家赢得了诺贝尔奖。此后，该实验已经探测到近十几个更多的引力波事件。现在，正当LIGO步入正轨之际，一个物理学家团队已经概述了一种建造便携式引力探测器的方法，该探测器只有一米长，比LIGO小4000倍。
这项提案即将发表在《新物理学杂志》上，描述了一种探测器，它将利用一种奇怪的量子力学现象来揭示引力波的通过。“从实验方面来说，首先也是最重要的一点是，建造它将非常困难，”英国华威大学的物理学家、该研究的合著者之一加文·莫利说。然而，如果该团队成功，新设备将提供一种更紧凑的引力波探测方法，可以在世界各地的许多实验室中复制。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅以支持我们屡获殊荣的新闻事业。 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保未来能够继续报道关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事。
波的抵消
物理学家们将他们提出的设备称为度规和曲率的中尺度干涉仪（MIMAC）。尽管MIMAC和LIGO在尺寸上存在巨大差异，但它们都寻找相同的效应：引力波以光速传播引起的时空有节奏的拉伸和收缩。
在LIGO的案例中，建造了两个相同的仪器——一个在路易斯安那州利文斯顿，另一个在华盛顿州汉福德——以排除来自局部引力效应的虚假信号。每个站点都有两个四公里长的真空室，它们以90度角相交，在地面上形成一个大写的L形。由高纯度二氧化硅制成的四十公斤重的镜子位于每个真空室的两端。激光束不断在镜子之间来回穿梭，由L形角落的光探测器监控。
LIGO的设计使得在正常条件下，来自每个臂的光波在探测器处相遇时会相互抵消：由于来自每个臂的光的波峰和波谷重叠，因此没有信号到达探测器。但是，如果引力波穿过臂，它会周期性地拉伸其中一个臂并压缩另一个臂，从而使它们的长度改变质子直径的一小部分。然后，光波不再相互抵消：它们将光脉冲与通过的引力波同步发送到探测器，从而产生独特的闪烁模式。
那么，一个一米长的设备如何才能完成同样的壮举呢？MIMAC的关键组成部分将是一个不大于百万分之一米的金刚石颗粒。研究人员希望将这样的金刚石置于量子叠加态——金刚石将同时占据两个不同位置的状态——然后等待它与引力波相互作用。
有缺陷的金刚石
除了莫利，该团队还包括伦敦大学学院的苏加托·玻色、彼得·巴克和瑞安·马什曼，以及荷兰格罗宁根大学的阿努帕姆·马祖姆达尔和史蒂文·霍克斯特拉。为了创建叠加态，他们会将微波束射向单个电子，该电子束缚在金刚石碳原子晶格中的人为缺陷上。（缺陷由插入到原本均匀的碳阵列中的单个氮原子组成。）然后，量子理论的非凡规则将开始发挥作用：电子将同时吸收和不吸收微波光子，从而创建金刚石的量子叠加态。吸收光子的金刚石“分身”中的电子将转移到所谓的“自旋1”态，这意味着它的行为类似于具有自身磁场的微型磁铁。金刚石的另一个版本中的电子将保持“自旋0”态——磁中性。玻色和他的同事表示，通过施加外部磁场，应该可以将叠加态的自旋1部分从其中性对应物中拉开，将它们分离到一米远。最后，物理学家将反转磁场，将金刚石的两个位置拉回一起，并用最后一个微波脉冲击中它。
最后一个脉冲将触发另一个奇怪的量子效应。在量子领域，粒子实际上并不是严格意义上的粒子。它们实际上是波，它们的形状和大小对应于在给定位置找到“粒子”的概率。最后的微波脉冲将被调整为改变叠加态的形状，使得自旋1态的波峰和波谷重叠并相互抵消，而自旋0态的波峰重叠并相互增强。因此，在没有任何外部干扰的情况下，对电子的测量总是会发现它处于自旋0态。
但是，任何涌过探测器的引力波都会拉伸叠加态，改变其形状，使其组成部分在重新结合时不再对齐。然后，对扭曲的叠加态的测量将产生混合结果，其中自旋1态与数据中引力波的频率同步出现。
至少在理论上是这样。构建一个可用的模型可能需要数十年。以色列内盖夫本-古里安大学的实验物理学家罗恩·福尔曼没有参与该提案，他称这个想法“大胆”。他说，隔离系统以使量子粒子不与环境相互作用将极具挑战性。“这是一个非常困难的实验，”他补充说，但“如果有足够的专注努力，它可能会在我们有生之年实现。”
最大的挑战之一将是创建金刚石的叠加态，使其在一米的距离内保持稳定。四年多前，斯坦福大学的研究人员成功地将由10,000个原子组成的叠加态分离了约半米——这是目前的记录。“但是我们现在谈论的是用拥有十亿或一百亿个原子的金刚石来做这件事，那要困难得多，”马祖姆达尔说。
该设备所需的许多其他技术——高真空、超低温、精确控制的磁场——都已分别由各个小组实现。但是将它们结合在一起并非易事。“正如你可以玩杂耍和骑自行车，并不意味着你可以同时做这两件事，”莫利说。
如果该设备最终建成，它可能会改变引力波天文学。目前世界上的引力波探测器都牢固地固定在地面上。“LIGO唯一可以拥有的方向是由于地球的自转，”玻色说。另一方面，像MIMAC这样的小型探测器可以指向天空中的任何方向。世界上任何物理实验室都可以容纳它。“挑战在于让其中一个设备工作起来，”玻色说。“如果其中一个设备工作了，再制造几个就很容易了。”