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引力波被稱之為時(shí)空的漣漪，通常與黑洞等大質(zhì)量天體有關(guān)，但我們也可在實(shí)驗(yàn)室里用激光制造出引力波，甚至能用它們來(lái)傳遞信息。
文 | 陳強(qiáng)
廣義相對(duì)論認(rèn)為，任何有質(zhì)量的物體在加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)在時(shí)空中產(chǎn)生漣漪，從所在的位置以光速向外傳播，這種時(shí)空的漣漪就是引力波。
然而，大多數(shù)物體產(chǎn)生的引力波都極其微弱，只有那些劇烈的天文事件，比如黑洞或中子星的合并，才能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的可被我們觀測(cè)到的引力波。2015 年 9 月，人類借助激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次直接探測(cè)到引力波，但當(dāng)它們傳到地球上時(shí)，引力波造成的時(shí)空變化，其幅度僅僅是一個(gè)原子核直徑的千分之一。
因此，在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造引力波，似乎是一件難以想象的事情。但是，根據(jù)最近的一篇預(yù)印本論文，有一個(gè)研究小組正在制定一個(gè)方案，使之成為可能。
用激光來(lái)制造引力波
預(yù)印本論文的作者之一，法國(guó)格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)的物理學(xué)家基利?安馬蒂諾（Killian Martineau）表示，如果能在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造可控的引力波，我們就可以從中學(xué)習(xí)到很多有關(guān)引力和宇宙學(xué)的知識(shí)，比如可以用它們來(lái)檢驗(yàn)不同的引力理論，而不必依賴于來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的引力波信號(hào)。
他們提出的方案是，利用一束高功率的“扭曲”的激光（一種具有軌道角動(dòng)量的激光）就可以產(chǎn)生出高頻的引力波，而且這種引力波還能夠被相應(yīng)的儀器探測(cè)到。
但是激光怎么能創(chuàng)造出引力波呢？這都要?dú)w功于愛(ài)因斯坦的質(zhì)能關(guān)系公式：E=mc2。質(zhì)量可以產(chǎn)生引力和引力波，而能量是質(zhì)量乘以光速的平方，所以能量也可以產(chǎn)生引力和引力波。就像質(zhì)量與引力的關(guān)系一樣，能量越高的物體產(chǎn)生的引力也越強(qiáng)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的引力波。
這個(gè)研究小組在理論上分析了幾種非常強(qiáng)大的激光，比如那些用于核聚變反應(yīng)堆的激光，來(lái)看看它們會(huì)產(chǎn)生什么樣的引力波。結(jié)果表明，與黑洞合并等天文事件產(chǎn)生的引力波不同，激光產(chǎn)生的引力波會(huì)在時(shí)空中產(chǎn)生復(fù)雜的波模式，其頻率比 LIGO 等探測(cè)器所能探測(cè)到的引力波頻率高出數(shù)萬(wàn)億倍。
然后，他們開(kāi)始嘗試找出檢測(cè)這些引力波的辦法。理論上，他們有兩個(gè)可行的選項(xiàng)。一個(gè)是在附近放置一個(gè)額外的激光，它會(huì)對(duì)產(chǎn)生的引力波做出可檢測(cè)的反應(yīng)；另一個(gè)是利用磁場(chǎng)把這些引力波轉(zhuǎn)化為光，并觀察產(chǎn)生的光。
該研究有助于實(shí)現(xiàn)引力波通信
這個(gè)研究小組也表示，在實(shí)驗(yàn)室里制造出可探測(cè)的引力波，或許還需很多年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。但如果我們最終能夠做到的話，還可能有助于實(shí)現(xiàn)引力波通信。
無(wú)線電波在通信技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，但它們也容易受到各種因素的影響，造成信號(hào)的衰減、失真和干擾。而引力波卻有著非凡的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兡軌驇缀鯚o(wú)損地穿越任何東西。這意味著，引力波不僅能夠讓我們觀測(cè)到那些光線被遮擋的遙遠(yuǎn)天體，它們還能夠成為一種全新的信息載體，讓我們實(shí)現(xiàn)更高效的通信。例如，引力波信息可直接穿過(guò)地球從地球的一端傳送到另一端，從而實(shí)現(xiàn)快速的信息傳遞。
當(dāng)然，這一切都還只是理論上的可能，要實(shí)現(xiàn)真正的引力波通信，還有很長(zhǎng)的路要走。
參考文獻(xiàn)：
https://arxiv.org/abs/2309.04191
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