制造引力波

来源：科普怀化

图中显示的设备能够辅助MAGIS-100运行，使锶原子被冷却和被精准地捕捉。

撰文 | 查利·伍德（Charlie Wood）

翻译 | 祝锦杰

研究人员正在着手探索极微观世界的特性，他们想把处于超低温状态的原子掷入100米长的真空管中，通过特殊的方法将小小的原子“拉伸”出一阵相当于常规房间大小（米级）的波。通过研究原子的类波特性，实验可以深入量子领域，观察出其中异于常理的地方：包括与暗物质（到目前为止都未曾现身）相关的蛛丝马迹，以及对于未来的研究至关重要的引力波特性。

来自8家机构的研究人员齐心协力，将美国伊利诺伊州的一处矿井改造成了目前世界上最大的原子干涉仪：物质波原子梯度计干涉传感器（Matter-wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor）。这套设备归美国费米国家加速器实验室（Fermilab）管理，设计终稿已经敲定，计划于2021年开始正式安装，版本代号为MAGIS-100。届时，研究人员将利用激光控制亚显微级别的锶原子，将其“拉伸”成宏观级别的“原子波”。罗伯·普伦吉特（Rob Plunkett）是费米国家加速器实验室的项目负责人，他说：“到2021年的夏天，一切将超乎人们的想象！”

MAGIS-100项目的经费需求达1230万美元，主要源于公众和私人捐款。这种公私合资的形式是近年来的趋势，能在仅靠单个研究机构开展的科学研究和需要消耗数十亿美元数十年时间的大型研究之间架起一座桥梁。比如，大型强子对撞机项目（LHC）、激光干涉引力波天文台项目（LIGO），这些都是基于合资形式运作的。阿西米纳·阿瓦尼塔基（Asimina Arvanitaki，并未参与这项研究）是加拿大圆周理论物理研究所（Perimeter Institute for Theoretical Physics）的研究员。她表示，为了研究暗物质的质量和性质，“你需要关注微观世界，而且还不能把宝押在同一个地方”。

MAGIS-100将测量原子自由落体时的性质。当激光束激发单个原子时，原子会处于既吸收又没有吸收激光能量的双重状态——就像薛定谔假设的那只猫一样，同时处于死亡和活着的叠加态。量子物理中的所有物体（小到一个光子，大如一个棒球）都具有波动性，只不过越宏观的物体，这种波动性就越难被觉察。当一个原子在MAGIS中以特定的方式受到激光的激发后，原子的波动性会使自身以原子波的形式延伸到整个房间，而与未被激光激发的部分相比，受到激光激发的“部分”运动得更快。

斯坦福大学有一座 MAGIS的原型，高达10米，是目前世界上最大的同类型装置，已经创纪录地制造出了长达半米的原子波。对于费米实验室的装置而言，会把这个记录提高到几米甚至十几米的级别。当原子波在竖井中向下运动时，设备内的第二道激光会使原子的激发态和未激发态重新相遇。通过测量两种原子波的干涉，研究人员可以精确地计算原子自由落体的加速度。由于实验中采用了自由落体的方式，即便存在地震或车辆引起的震动，也不会对测量产生影响。

在MAGIS-100运行时，会同时把100万个原子从竖井的上方掷入底部。通过分析数量惊人的干涉图像（包括竖井上层和下层的原子云之间的干涉），这台几乎占据了整个足球场的设备有能力探测与已知物理法则不同的细微差异。如果出现任何与理论不符的现象，可能就暗示了其他物质或能量的存在，比如在竖井通道中存在某种迄今未被确认的粒子。贾森·霍根（Jason Hogan）是斯坦福大学的物理学家，也斯坦福大学原型机的建造者之一。他说：“原子自由落体的路径越长，对加速度的测量就越有说服力。”

科学家一直怀疑暗物质构成了全宇宙大约80%的质量，它们至今无法被任何传统手段探测到，但却可以在上述实验中表现出明显的作用。在过去，绝大多实验都把关注点放在了一种科学家称之为“大质量弱相互作用粒子（weakly interacting massive particles, WIMP）”的对象上。这种粒子是由理论推测出来的，质量相对较大。但是这种“巨型粒子”一直没有出现，所以科学家也在不断开展新的搜寻实验。

在众多暗物质的候选名单中，一种理论上存在的超轻粒子（ultralight particles）——普伦吉特称之为“一块从未被人探索过的新大陆”——正在吸引越来越多科学家的注意力。按照约翰·霍普金斯大学理论物理学家苏尔吉特·拉贞德兰（Surjeet Rajendran）的说法，这些科学家空想的暗物质粒子是可以从多个途径对我们已知的粒子施加影响的。如果暗物质真的存在，那么MAGIS-100应该能够观测到两种相关的现象：常数偏移以及第5种基本力（还未被确认）。它们都应该是由一种质量仅有电子万亿分之一的粒子引起的。与现有的设备相比，MAGIS的优势就在于它的敏感度提高了数百甚至数千倍，能够识别细微的差别。

有科学家倾向于按照理论预测，针对性地寻找特定的粒子；也有科学家更倾向于在技术允许的范围内广泛撒网。高能粒子对撞机已经对引力和强相互作用力领域的粒子做了非常透彻的搜索，但是物理学的标准模型似乎还差几片关键的拼图。

“我总觉得，研究更轻质量的物质更容易获得成果。” 华盛顿大学的物理学家格雷·里布卡（Gray Rybka，并未参与这项研究）说，“有很多人抱有同样的想法，人数在过去10年间大概增加了好几倍。”阿瓦尼塔基则认为，即使不知道要找的东西是什么，MAGIS也会大大拓展实验物理领域的疆界。

如果MAGIS-100无法探测到暗物质，至少还能为引力波探测服务。虽然MAGIS-100本身并不能直接探测引力波，但是它可以用于测试和开发未来所需的技术。

比如，在那条用于探测原子云坠落的竖井的基础上，开发出足以捕捉微小空间扰动的装置。这种装置同时还可以用来探测特定的时空涟漪，它能覆盖那些对LIGO来说太低而对激光干涉空间天线（LISA）来说又太高的频率。比如，由未经历对撞的黑洞和中子星发出的引力波。另外，设备升级为MAGIS-1000后，还可以作为类似天体对撞的预警装置。

目前，相关研究人员非常希望MAGIS-100能在暗物质的研究上独辟蹊径。“我们必须尽最大的努力，”美国西北大学负责激光系统开发的蒂姆·科瓦奇（Tim Kovachy）说，“事在人为，坚持不懈。”