宇宙揭密 用於探測下一代重力波的「光學彈簧」

編譯/高晟鈞

17世紀,一顆蘋果砸中了「辣個男人」,至此,現代物理學的一大支柱「牛頓萬有引力」依舊被視為最重要的物理學理論之一,影響了近200年以上的科學思想。

研究團隊透過在光腔內插入一種特殊介質「克爾介質」,來引發光學克爾效應,利用非線性光學效應,在不增加功率的前提下,成功提高腔體的訊號放大率,並增強光學彈簧常數。圖取自ScitechDaily

隨後,1915年在愛因斯坦的廣義相對論對牛頓物理進行補充與修正後,「重力」被重新詮釋成質量彎曲時空(時空曲率)的結果,眾多如光線偏折、時間延遲、重力所造成的頻率偏移等現象的原理。就連日常生活中依賴的全球定位系統(GPS),其實也利用廣義相對論進行修正,以抵銷高度約兩萬公里的衛星與地面的時間差。

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何謂重力波?

所謂重力波即是「時空曲率」以波的形式像外傳波的擾動,時空曲率是引力的來源,從黑洞生成、超新星爆炸到宇宙誕生的大爆炸,都會產生如漣漪般的時空曲率波動。

重力波的探測是現今物理學的一項重要領域,對於了解短伽瑪射線爆發、重元素的形成、宇宙的起源等宇宙信息有著重大意義。

現代重力波探測器,GWD(Gravitational wave detector)是現今科學家觀測重力波的主要儀器,主要用來探測來自於銀河系內外的重力波信息。可惜的是,現今技術依舊無法探測事件後(如雙中子星合併)物質的重力波,而這些波對於了解中子星內部結構具有重要意義。

現代GWD平均每幾十年可以觀測到一次這種類型的重力波,因此科學家迫切需要對GWD技術進行優化。

光學彈簧

提高GWD靈敏度的一種方法便是利用光學彈簧來放大信號。不同於機械彈簧,光學彈簧利用光的輻射壓力來模仿彈簧的行為,其剛度(抵抗結構變形的能力)主要受光學腔內的光功率影響。因此,提高光學彈簧的諧振頻率需要增加腔內光功率,但卻可能導致熱雜訊產生,妨礙偵測器正常運作。

創新的光學彈簧

對此,研究團隊透過在光腔內插入一種特殊介質「克爾介質」(Kerr Medium),來引發光學克爾效應,利用非線性光學效應,在不增加功率的前提下,成功提高腔體的訊號放大率,並增強光學彈簧常數。

這項研究不只在GWD中發揮作用,也可以應用於其他光機械系統,像是將宏觀振盪器冷卻至量子基態。

資料來源:ScitechDaily

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