探討全球最靈敏的實驗如何探測微小的時空扭曲

在威爾士，科學家們成功建造了全球最敏感的桌面干涉儀，這是一種微型、高精度的儀器，能夠測量比人類頭髮直徑小一兆分之一的時空扭曲。這一研究團隊來自卡迪夫大學，邁出了理解引力的量子性質的重要一步，並設置了對於非常高頻引力波存在的新限制。

這項實驗被稱為量子增強時空測量（QUEST），在卡迪夫大學的物理與天文學院中進行開發。根據研究小組的說法，QUEST能夠測量比人類頭髮寬度小 100 兆倍的長度變化。在僅僅三個小時的實驗中，該設備創下了靈敏度的新紀錄。這些結果預計將幫助科學家研究有關時空、引力和暗物質存在的新物理現象。

引力波是時空結構中的漣漪，最早是由愛因斯坦預測的，通常由像 LIGO 和 Virgo 這樣的觀測站在低頻下檢測，這些觀測站聆聽來自黑洞碰撞等事件的信號。然而，由於早期宇宙中的原始黑洞或其他現象所產生的更高頻波動一直難以捉摸。為了解決這一挑戰，團隊採用了先進的干涉測量技術，該技術通過合併鏡子反射的激光光束來檢測微小的距離變化，並用它來探測時空中最微弱的波動。

卡迪夫大學引力探索研究所的博士生 Abhinav Patra 表示：「我們的實驗試圖回答時空是否是‘量子化’的問題。」現代物理學將空間和時間視為一個單一的物理實體，而非兩個分開的事物。通過對兩個獨立干涉儀的數據進行相關分析，團隊排除了某些可能由引力量子理論預測的高頻引力波。這種相關方法使他們能夠從隨機噪音中隔離潛在信號，並有效過濾出像地震振動或熱波動等當地干擾。

這項研究的共同作者、物理學教授 Hartmut Grote 表示，結果顯示出緊湊儀器在探索量子力學與相對論之間的邊界方面是多麼強大。他提到：「引力的量子理論可以表現為時空中的波動，而干涉儀非常擅長測量這些波動。」根據 Grote 的說法，QUEST 實驗的設計、安裝和啟動花費了團隊四年的時間。他補充道：「因此，這項實驗運用了為干涉儀檢測引力波而進行的技術開發所獲得的所有經驗教訓，以研究量子引力。」

隨著團隊證明了設置的靈敏度，下一個階段將涉及幾個月的觀測運行，以進一步提高檢測閾值。這些未來的測試可能有助於揭示某些量子引力模型預測的時空波動，並深入了解暗物質、真空能量和引力場之間的相互作用。該研究已發表在《物理評審快報》期刊上。