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尋找重力波──微重力下的BEC和原子干涉儀

一群德國科學家發想了一種觀測重力波的方法,利用玻色─愛因斯坦凝態(BEC:Bose–Einstein condensate)。在2017年初,他們發射了裝有原子的小盒子以及雷射裝置到太空中,進行微重力物質波干涉實驗來偵測重力波。

這個小盒子創造了BEC發生的環境,由德國科學家小組MAIUS-1主導。 [1]



首先,你應該會問,重力波是什麼?



  想像一下,時空是可以伸縮的,當物體出現在時空中,便會擠壓到時空,使時空扭曲;如同石頭墜入水中,石頭會擠壓到水,進而佔領水原本存在的空間,而被擠壓的水只能向其他地方移動,而產生陣陣漣漪。而當重力波經過時,會改變物質間的距離,但是這個影響非常細微──僅有10-23的數量級。



物體在時空中加速運動時,會擠壓時空,使時空波動,這就是重力波。左圖為雙星運動時產生的重力波 [2]



重力波就如同石子落入水中時,產生的漣漪。[3]



那玻色─愛因斯坦凝態(BEC)又是什麼呢?



  當一團原子降溫到趨近於絕對零度(-273.15℃ ),所有原子都會掉到相同的、最低能量的量子態,也因為它們都在相同的量子態,所有原子就像是一個整體,顯現同樣的特性,使得科學家就無法分辨出每個原子的不同。



每個原子都有各自的量子態,但降溫之後,會落入最低能量的量子態。 [4]



  玻色─愛因斯坦凝態的現象是波粒二相性造成的結果。波粒二相性是指,所有物質都具有粒子的特性,以及波的特性,我們稱為「物質波」。以電子來說,我們知道電子是一種粒子,但它同時也具有波的干涉、繞射現象。



電子的雙狹縫干涉 [5]



  根據波粒二相性,原子也是一種波,當原子擁有高能量,就會有較短的波長;原子擁有低能量,就有較長的波長。式1中,E為能量,h為普朗克常數, 為頻率, 為波長。



E=hν=hc/λ  [式1]



  所以,當我們冷卻一團原子到接近絕對零度時,原子團具有的能量很低,所有原子波長相同(因為量子態相同),並且大於比原子團半徑。

  接著,我們利用原子干涉儀,先以雷射光束將原子的物質波分成兩個波,讓兩個波分別走過不同的路徑,再讓兩個波干涉(也就是疊加),變回一個波。



原子干涉儀裝置圖:左方有鈉原子或氬原子的物質波,由氦氖雷射將物質波分成兩個波,之後再疊加回一個波,進行偵測。 [6]



干涉現象 [7]



  藉由觀測後來疊合的波,與初始入射波的差異,我們就可以知道是否有重力波經過。而原子在無重力或是微重力狀態下,對慣性(相是重力)很敏感,能夠偵測到重力波造成的微小差異。



原始資料:

https://www.space.com/42171-bose-einstein-condensates-gravitational-wave-search.html



參考資料:

http://www.physics.arizona.edu/~cronin/Research/Introduction/IFMdescription.html

https://hk.news.appledaily.com/international/daily/article/20160212/19487970



圖片來源:

[0] https://www.space.com/42171-bose-einstein-condensates-gravitational-wave-search.html

[1] https://www.space.com/42171-bose-einstein-condensates-gravitational-wave-search.html

[2] https://www.independent.co.uk/news/science/gravitational-waves-albert-einstein-science-discovery-of-century-explained-perfectly-in-one-a6869091.html

[3] https://pursuit.unimelb.edu.au/articles/riding-the-gravitational-wave

[4] https://www.learner.org/courses/physics/visual/visual.html?shortname=BEC_cooling

[5] http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=3156

[6] http://www.physics.arizona.edu/~cronin/Research/Introduction/IFMdescription.html

[7] http://cms.wj411.com/preview/upload/information/783/201707/infor_detail_1722129.html?opentype=1

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