2024年新論文稱,愛因斯坦的預言意味著宇宙中可能存在罕見的引力激光器
61 觀看·2024年2月16日
愛因斯坦的廣義相對論揭示了宇宙中的許多奧秘,其中有兩種現象已經被實驗驗證:引力波和受激輻射發射。引力波是時空的波動,受激輻射發射是原子的同步輻射。你可能會想,這兩種現象有什麼關係呢?事實上,它們有時會結合起來,產生一種罕見而奇特的 “引力激光”。這種引力激光可能是探測宇宙中最難以捉摸的物質–暗物質–的一種新方法。
愛因斯坦的廣義相對論揭示了宇宙中的許多奧祕
其中有兩種現象已經被實驗驗證
引力波和受激輻射發射
引力波是時空的波動
受激輻射發射是原子的同步輻射
你可能會想
這兩種現象有什麼關係呢
事實上它們有時會結合起來
產生一種罕見而奇特的引力激光
這種引力激光可能是探測宇宙中
最難以捉摸的物質暗物質的一種新方法
激光的原理和來源
激光是一種特殊的光
它具有很高的強度
方向性和單色性
激光的產生依賴於一種叫做受激輻射發射的物理過程
當一個原子處於激發態時
它會吸收或釋放一定波長的光子
如果一個激發態的原子遇到了一個與它能極差相同的光子
它就會被受激
釋放出一個與入射光子完全相同的光子
這樣就會有兩個光子沿着同一個方向傳播
形成一束相干的光
如果這個過程不斷重複
就會形成一個強大的光束
這就是激光的輸出
激光的應用非常廣泛
從日常生活中的調形碼掃描儀
光盤播放器
到科學技術中的光導纖維
激光切割機
都離不開激光
但是你知道嗎
激光並不是人類發明的
它在自然界中也存在
天文學家在觀測宇宙時
發現了一些天然的激光源
比如恆星
星雲
星系等
其中
最常見的一種激光源
是巨大的冷分子云
它們由氫
氦
碳
氮等元素組成
溫度低至零下200攝氏度
在這些分子云中
有些分子會被外界的光或電磁波激發
然後受激輻射發射出微波或無線電波
形成一種叫做MASER的激光
這些MASER可以幫助天文學家
研究分子云的結構
動力學和化學
引力波的產生和探測
除了受激輻射發射
愛因斯坦的廣義相對論
還預言了另一種現象
引力波
引力波是由於時空的彎曲
而產生的波動
它可以在沒有物質的介質中傳播
就像水波一樣
引力波的來源
通常是一些極端的天體事件
比如黑洞的合併
中子星的碰撞
恆星的爆炸等
這些事件會造成時空的劇烈變化
從而產生引力波
引力波的存在
是廣義相對論的重要預言
但是它的探測卻非常困難
因爲引力波對時空的影響非常微弱
只有當它經過地球時
才能引起極其細微的長度變化
大約相當於一個原子核的千分之一
爲了探測到這樣的變化
科學家們建造了一些
巨型的引力波探測器
比如美國的LIGO
歐洲的VIRGO
日本的KAGRA等
這些探測器利用激光的干涉原理
來測量兩條相互垂直的臂長的變化
從而判斷是否有引力波通過
軸子的性質和作用
引力波和受激輻射發射
看起來是兩種完全不同的現象
但是有一種神祕的物質
可能將它們聯繫起來
那就是暗物質
暗物質是一種看不見的物質
它不與電磁波相互作用
但是它會通過引力影響可見物質的運動
暗物質的存在
是通過觀測星系的旋轉速度
星系團的引力透鏡效應
宇宙微波背景輻射等方式推斷出來的
暗物質佔據了宇宙物質的85%
但是它到底是什麼
目前還沒有確定的答案
物理學家提出了許多關於暗物質的假設
其中一種是軸子
軸子是一種假想的超輕粒子
它是爲了解決強相互作用的一個謎題而引入的
軸子的質量非常小
大約是電子的十億分之一
這使得它具有很強的量子特性
表現出波力二向性
軸子的波長非常大
可以達到幾米甚至幾公里
這意味着它們不像普通的粒子那樣可以被定位
而是像雲一樣分佈在空間中
軸子的另一個特點是
它們可以和電磁場相互作用
從而轉化爲光子
或者從光子轉化爲軸子
這種轉化過程依賴於電磁場的強度和方向
以及軸子的質量和偶合常數
軸子和電磁場的相互作用
使得它們可以被黑洞捕獲
但是由於軸子的波長較大
它們無法融入黑洞的事件世界
也就是黑洞的邊界
軸子不會落入黑洞
而是存在於黑洞周圍
形成一個類似於原子的結構
其中黑洞相當於原子核
軸子相當於電子
這些黑洞原子可能遍佈宇宙
這是物理學家幾十年來的理論
引力激光的形成和探測
軸子和電磁場的相互作用
使得它們可以被黑洞捕獲
但是由於軸子的波長較大
它們無法融入黑洞的事件世界
也就是黑洞的邊界
軸子不會落入黑洞
而是存在於黑洞周圍
形成一個類似於原子的結構
其中黑洞相當於原子核
軸子相當於電子
這些黑洞原子可能遍佈宇宙
這是物理學家幾十年來的理論
同時黑洞本身往往會發出引力波
這是由於它們與周圍的物質
或其他黑洞的相互作用而產生的
引力波的波長和頻率
取決於黑洞的質量和角動量
不同的黑洞會發出不同的引力波
如果引力波的波長
和軸子的波長相匹配
那麼它們就能激發周圍的軸子
黑洞周圍的軸子
就會開始以協調的方式運動
從而引發更多引力波的釋放
這些新的引力波會引起更多的激發
直到整個引力波像激光一樣激連
向一個方向發射緊密聚焦的引力波
這就是引力激光的形成過程
它是一種全新的引力波信號
完全不同於我們之前看到
或研究過的任何引力波信號
北京中國科學院大學物理學家劉晶
在今年1月發表在
《預印本數據庫R14》上的一篇論文中
提出了這一理論現象
並將其命名爲引力激光
引力激光雖然威力巨大
但卻非常罕見
首先
觸發激發激連的條件必須恰到好處
這需要黑洞和軸子的參數非常精確
其次
大多數引力激光
都會指向遠離地球的方向
因爲它們是從黑洞中隨機射出的
所以我們無法看到它們
但是下一代引力波觀測站
也許能夠探測到引力激光
如果我們看到了它們
這將是暗物質以軸子形式存在的確鑿證據
也將是我們對宇宙的一次深刻的認識

