如何操縱引力波可能揭示引力的量子秘密

“重力影響一切，包括光，”舒茨霍爾德說。這意味著當光波遇到引力波時，兩者可以相互作用。他的提議基於從光束切換到少量能量通過的引力波。當這種情況發生時，光會損失少量能量，而引力波則會獲得相同量的能量。這種能量對應於一個或多個引力，即理論上被認為攜帶引力的粒子，儘管它們從未被直接觀察到。 “引力波會更強烈一些，”物理學家解釋道。與此同時，光波的頻率發生了幾乎可察覺的變化。

逆轉能量流

“這個過程也可以反向進行，”舒茨霍爾德繼續說道。在這種情況下，引力波將能量包傳遞給光波。原則上，這種交換的兩個方向都可以測量，這意味著科學家可以觀察引力子的吸收和受激發射。這樣做需要巨大的實驗裝置。舒茨霍爾德估計，可見光或近紅外光譜範圍內的激光脈衝必須在兩個鏡子之間反射一百萬次。對於大約一公里的物理配置，這種重複反射將創建大約一百萬公里的有效光路。這個尺度必須足夠大，才能探測到光與引力波相互作用時發生的微小能量轉移。

檢測幾乎難以察覺的信號

由一個或多個引力子吸收或釋放能量引起的光頻率變化將非常小。然而，舒茨霍爾德表示，精心設計的干涉儀可以揭示這一點。在這樣的設備中，兩種光波會根據它們是否獲得或失去能量而經歷稍微不同的頻率變化。經過長光路後，波會重新組合併形成乾涉圖案。通過分析這種模式，研究人員能夠確定光的頻率如何變化，並確認能量與引力波進行交換。

LIGO 的教訓和未來的可能性

“從最初的想法到實驗可能需要幾十年的時間，”舒茨霍爾德說。不過，他指出，該提案與現有技術有相似之處，尤其是 LIGO 天文台（激光干涉儀引力波天文台的縮寫），該天文台已經用於探測引力波。 LIGO 由兩個長約四公里的 L 形真空管組成。分束器將激光束沿著兩條臂發送，穿過的引力波會稍微拉伸和壓縮時空。這些扭曲使臂的長度改變了幾個原子米（10-18米），足以改變光的干涉圖案並產生可測量的信號。

圍繞舒茨霍爾德的概念設計的干涉儀可以超越探測範圍，並允許科學家通過受激引力吸收和發射來操縱引力波。它還表明，使用具有糾纏光子的光脈衝（這意味著它們是量子力學糾纏的）可以大大提高儀器的靈敏度。 “然後我們還可以得出關於引力場本身的量子態的結論，”舒茨霍爾德說。雖然這不能直接證明引力子的存在，但卻提供了有力的證據。如果預期的干擾效應沒有出現，當前基於引力子的理論就會受到質疑。因此，舒茨霍爾德的提議引起了物理學界的廣泛關注也就不足為奇了。