ワシントン D.C.— レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) は、時空の波紋を検出する最も感度の高い検出器であるだけではありません。それはまた、たまたま世界最高の重力波の発生源でもある、と物理学者のチームは現在計算している.これらの波は微弱すぎて直接検出することはできませんが、研究者によると、原理的には放射線を使用して、大きな物体の間の奇妙な量子力学的効果を検出することができます。
パサデナにあるカリフォルニア工科大学 (カリフォルニア工科大学) の物理学者であるベリンダ・パンは、先週ここで行われたアメリカの科学者会議でこの分析を発表しました。物理社会。
重力波は文字通り空間そのものを引き伸ばします。 1915 年、アルバート アインシュタインは、地球などの巨大な物体が時空をゆがめ、自由落下する物体のまっすぐな軌道を曲げるときに重力が発生すると説明しました。アインシュタインはまた、特定の旋回する質量構成が重力波を放射すると予測しました。 LIGO を使って研究している 1000 人の物理学者は、互いにらせん状に渦巻く巨大なブラック ホールのペアから発せられるこのような波を 2 回検出しました。
LIGO は、ワシントン州ハンフォードとルイジアナ州リビングストンにある非常に感度の高いツイン検出器に依存しています。各検出器は基本的に、交差した長さ 4 キロメートルの定規のペアで構成されています。空間の伸びを検出するために、研究者はレーザー光を使用して 2 つの定規の長さをほぼ一定に比較します。光波は、各アームの両端にある 40 キログラムの鏡の間を行ったり来たりします。研究者は、干渉法と呼ばれる光学技術を使用してアームの長さを比較します。干渉法では、2 つのアームからの光波を組み合わせて、それらがどのように強化またはキャンセルするかを調べます。お互い。重力波は非常に微弱であるため、物理学者は 2 つの腕の長さを 1 つの陽子の幅の 1/10,000 以内と比較して検出する必要があります。
しかし、LIGO が時空の伸縮に非常に敏感であるという事実は、LIGO が波紋を生成するのにも非常に効率的であることを意味します。それを証明するために、Pang と彼女の同僚は、空間の伸縮が LIGO のアームの 1 つで前後に跳ね返る光波にどのように影響するか、または「結合」するかの量子力学的モデルを開発しました。
測定を可能な限り高感度にするために、LIGO の物理学者は、各光波の山と谷の位置 (いわゆる位相) が安定して安定していることを確認する必要があります。しかし、量子の不確実性は、その振幅として知られる波のサイズがあまり確実でないことを必要とします。避けられない振幅の変動がミラーにランダムなインパルスまたは「キック」を与え、ミラーの動きが時空に小さなさざ波を生み出す、と Pang は言う。もちろん、LIGO は大きな重力波を生成しません。ボウリングのボールを回転させて、より大きな重力波を自分で作ることもできますが、最適な効率で生成します。
この結果は驚くべきことではない、と北京師範大学の物理学者、ファン・チャンは言う。 「検出器の基本的なことは、重力波と結合することです」と彼は言います。 「結合すると、双方向になります。」
直接検出するには微弱すぎるが、それでも波は巨視的な物体の間の量子効果を調べるために使用できるだろう、と Pang は言う。量子力学によれば、電子のような非常に小さな物体は、一度に文字通り 2 つの場所に存在することができます。多くの物理学者は、LIGO の鏡の 1 つなどの巨視的な物体を、同様の量子運動状態に誘導することができるのではないかと考えています。
そのデリケートな状態は長くは続きません。外界との相互作用によって「デコヒーア」が発生し、ある場所または別の場所に置かれるからです。しかし、そのような状態が脱コヒーリングする速度を測定して、重力波の放射から予想される速度と一致するかどうかを確認することを想像することができます.一部の理論家は、巨視的な物体の間で量子状態を押しつぶす際に重力が特別な役割を果たしていると示唆しています.
「これは興味深いアイデアですが、実験的には非常にやりがいがあります」と、カリフォルニア工科大学の物理学者でパンの共同研究者の 1 人であるイーキ マーは言います。重力放射のこれらの量子効果を確認するには、研究者は他のすべてのデコヒーレンス源を抑制しなければならないだろうと彼は言います。 Pang 氏はその点を認めています。 「信じられないほど難しいです」と彼女は言います。 「しかし、やりたいのであれば、LIGO はそれを行うのに最適な場所だということです。」
