Гравитационные волны: атомная интерферометрия - путь вперед?
Gravitational waves: is atom interferometry the way forward?
Интерференция атомов может помочь обнаружить гравитационные волны
Ученые из Калифорнии предложили новый тип гравитационно-волнового детектора, который невосприимчив к лазерным шумам - проблема, которая увеличивает стоимость проектов современных детекторов. Исследователи полагают, что их предложение - модифицированная форма атомного интерферометра - было бы дешевле и проще реализовать в космосе, чем нынешние лазерные интерферометры.
Гравитационные волны представляют собой крошечные возмущения кривизны пространства-времени, возникающие при ускорении масс - в соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна. Первый намек на существование таких волн был замечен в 1974 году как постепенное уменьшение периода обращения пульсара PSR B1913+16, вокруг нейтронной звезды. Тем не менее, никто напрямую не обнаружил гравитационные волны. Такое открытие предоставит подтверждение общей теории относительности, а также откроет новые области гравитационно-волновой астрономии, в которой удаленные объекты могут изучаться с помощью волн, которые они излучают.
Большие и дорогостоящие
Обычный способ попытаться обнаружить гравитационные волны - это использование лазерных интерферометров с большой базой. Прохождение гравитационной волны должно вызвать небольшое изменение разности хода двух пучков, вызывая сдвиг интерференционных полос. Ни одному из этих детекторов пока еще удалось обнаружить гравитационные волны и, чтобы увеличить чувствительность, астрономы вынуждены выводить детекторы в космос. Построение традиционных L-образных интерферометров в космическом пространстве потребует трех спутников, что создает большую технологическую и финансовую проблему. Так, предполагаемый лазерный интерферометр Космическая Антенна (Laser Interferometer Space Antenna - LISA), первоначально планировалось запустить в 2015 году, но сроки были перенесены из-за его высокой стоимости.
Одноплечевой интерферометр, который измеряет изменение оптического пути при интерференции излучаемой и отраженной волн, требует лишь два спутника. Однако в этой конфигурации трудно отделить изменение в длине пути от случайных флуктуаций частоты лазера - это явление называется фазовый шум.
Атомные интерферометры были задуманы в конце 1980-х годов и построены в начале 1990-х физиками в том числе Марком Касевичем (Mark Kasevich) и Стивеном Чу (Steven Chu) в Стэнфордском университете. Вместо измерения разности фаз между двумя лучами света, атомный интерферометр измеряет изменение в фазе волн материи атомов в суперпозиции квантовых состояний. Атомный интерферометр может быть создан неоднократным возбуждением-снятием-возбуждения половины волновой функции с помощью лазера, удерживая другую половину в основном состоянии. Длина волны атома уменьшается, когда атом находится в возбужденном состоянии, создавая сдвиг фаз между двумя половинами волновой функции, который зависит от времени нахождения первой половины в возбужденном состоянии.
В своей недавней работе, Касевич и коллеги, во главе с физиком-теоретиком Питером Грэмом из Стэнфордского университета, предлагают разместить два атомных интерферометра на большом расстоянии друг от друга и с помощью одинаковых импульсных лазеров - один в одном интерферометре, второй в другом - для возбуждения и снятия возбуждения [высвечивания] атомов в обоих интерферометров. Время нахождения каждого атома в возбужденном состоянии зависит от времени прохождения лазерных импульсов между двумя атомными интерферометрами. «Каждое атомное облако, как секундомер», объясняет Касевич. «Когда лазерный импульс уходит в одном направлении - запускаются часы. Когда он приходит с другой стороны, он останавливает их».
Атомы за работой
Если базовое расстояние между интерферометрами постоянное, то атомы на обоих интерферометрах будут накапливать одинаковый сдвиг фазы. Но если один интерферометр ускоряется относительно другого, время между возбуждением и высвечиванием половины волновой функции будет отличаться в двух местах, и атомы будут накапливать различные относительные сдвиги фаз. Одни и те же лазерные импульсы возбуждают и высвечивают атомы в обоих интерферометрах, так что лазерный фазовый шум одинаково влияет на атомы и, таким образом, не влияет на разность фаз, фиксируемых в двух интерферометрах. «Свет просто выступает в качестве затвора, выключающего и включающего часы», говорит Касевич. «Атом делает всю тяжелую работу».
Эксперт по гравитационным волнам Б.С. Сатьяпракаш из университета Кардиффа выражает осторожный оптимизм. «Схема, очевидно, очень интересная», говорит он. «Но я думаю, что самый большой вопрос в том, что потребуется технологически для запуска в космос этой вещи в течение трех-пяти лет? Я не отрицаю и не аплодирую, но я хотел бы видеть цифры». В попытке обеспечить их, группа из Стэнфорда в настоящее время планирует построить прототип в лаборатории, чтобы убедиться есть или нет какие-либо непредвиденные технические проблемы с этим проектом.