找引力波，愛因斯坦“自己”來幫忙

淺草

引力波是一個世紀前由愛因斯坦預言的一種波。根據(jù)他的廣義相對論，引力是時空本身的彎曲，因此引力波就是時空受引力影響而發(fā)生變化時產(chǎn)生的一種波動。當宇宙中兩個致密的天體，如黑洞、中子星或白矮星發(fā)生碰撞、合并時，都會發(fā)射強烈的引力波，引起周圍時空的劇烈波動。

引力波遇到一個物體，就會使這個物體發(fā)生變形。譬如一個正方體，若受到從某一方向傳來的引力波，它在這一方向上的尺寸就要發(fā)生變化，于是它不再是嚴格的正方體。反之，只要觀察到了這種變形，就說探測到了引力波。但是那些能產(chǎn)生引力波的天體都離我們實在太遙遠了，等引力波傳到地球，信號已變得非常微弱，所以引力波是不容易探測到的。

龐大、精密的引力波探測器

目前，要在地球上直接探測引力波，需借助于龐大、精密的設備。典型的裝置是引力波激光干涉儀。其原理是：引出一束激光，經(jīng)過一塊半透明的鏡子之后，分成了兩束，一束穿透鏡子，沿原方向傳播，另一束則被反射到垂直的路徑上。兩束激光在各自的路徑上經(jīng)多次反射之后，又匯聚于一點，在匯聚點發(fā)生干涉。

干涉所得到的圖案則取決于兩束激光走過的距離差。舉個極端的例子：若距離差為零，說明兩束激光走過相等的距離，它們的步調(diào)保持一致，那么干涉時中央就是一個亮斑。當引力波傳來，引起空間微弱的伸縮，兩束激光走過的距離差就會隨之改變，這一改變將引起干涉圖案發(fā)生變化。

引力波激光干涉儀是非常敏感的。比如說，在地球到太陽這么長的距離之內(nèi)，哪怕發(fā)生了僅相當于一個原子尺寸的變化，它們都能探測到。另一方面，它們又是非常龐大的。例如德國的一個引力波激光干涉儀，坐落于兩條相互垂直的隧道中，隧道各長4千米。計劃中建造的新的引力波探測裝置，可能還要動用數(shù)顆人造衛(wèi)星。

愛因斯坦-玻色凝聚來幫忙

不過，有項技術也能達到同樣的精度，而使用的設備，不比一張普通桌子大。其所依據(jù)的原理是愛因斯坦自己半個多世紀前提出的另一個現(xiàn)象，即玻色-愛因斯坦凝聚（簡稱玻愛凝聚）。

我們知道，微觀粒子都是有自旋的，自旋是一種量子特性。一個粒子的自旋值，只能取普朗克常數(shù)的整數(shù)倍或半整數(shù)倍，如0、1/2、1、3/2……個普朗克常數(shù)。自旋為整數(shù)的叫玻色子;自旋為半整數(shù)的叫費米子。有趣的是，玻色子和費米子在集體行為上的表現(xiàn)卻大相徑庭。簡單地說，玻色子喜歡“扎堆”，費米子喜歡“獨處”。當許多玻色子聚在一起，步調(diào)一致地行動時，我們就稱發(fā)生了“玻愛凝聚”。

對于原子，在通常溫度下，由于受熱運動的干擾，玻愛凝聚是不容易發(fā)生的。1995年，科學家首次實現(xiàn)了在極低溫下氣態(tài)銣原子的玻愛凝聚：當溫度降低到10-7K時，一大群銣原子聚在一起，表現(xiàn)得就像一個量子物體。在此情況下，若稍有擾動，原子團中就會產(chǎn)生一種可觀察的振動。

科學家最近證明，處于玻愛凝聚態(tài)的原子團，可以用來探測引力波。

這些原子是被周圍許多束激光困在一個“陷阱”里才實現(xiàn)玻愛凝聚的。先前的實驗已證明，改變這口“陷阱”的尺寸或形狀，即可對里面處于凝聚態(tài)的原子團產(chǎn)生干擾，形成振動。若有引力波傳來，由于它是空間本身的一種波動，那么它就可能對“陷阱”的尺寸或形狀產(chǎn)生影響，我們在原子團中就能探測到振動，從而證實引力波的存在。

當然了，這種裝置太敏感了，所以實驗時我們要排除外界的一切干擾。