Новый способ обнаружения гравитационных волн

Источник гравитационных волн в представлении художника (иллюстрация C. A. Duarte Ramos).

Нынешние детекторы гравитационных волн громоздки и дороги, при этом ещё и не способны выполнять свои прямые функции. А на принципиально более эффективные — то есть совсем золотые — никто не может найти денег. Но есть другой путь.

Гравитационные волны (ГВ) — крохотные возмущения гравитационного поля, «рябь» пространства–времени, флуктуации вакуума, возникающие при резком ускорении значительных масс, — прямо вытекают из теории относительности и, следовательно, являют собой фундаментальные основы современной физики. Но это как раз одно из тех её следствий, которые пока не наблюдались. Причина ясна: существующие методы регистрации ГВ требуют километровых детекторов значительной стоимости и сложности.

Сейчас ГВ ищут при помощи длиннобазного лазерного интерферометра. Поскольку волна должна исказить пространство, в котором движутся лучи интерферометра, последний теоретически может обнаружить ГВ. Пока, правда, наземные детекторы не справлялись с задачей, в основном из-за фазового шума — случайных флуктуаций в частоте лазера.

Но есть и другие типы высокочувствительных интерферометров. Атомные интерферометры, разработанные в конце 1980-х под руководством Марка Казевича (Mark Kasevich) из Стэнфордского университета (США), измеряют не разницу в фазах двух лучей света — первичного и отражённого, а изменения в фазе волны материи, состоящей из атомов в суперпозиции их квантовых состояний.

Для этого используется образец вещества, часть которого благодаря обстрелу лазерными импульсами постоянно переходит в возбуждённое состояние и обратно, а другая часть держится в основном квантовом состоянии. Когда атом пребывает в возбуждённом состоянии, длина его волны сокращается, что создаёт фазовый сдвиг между двумя частями волновой функции.

В своей последней работе Марк Казевич и Питер Грэм (Peter Graham) из Стэнфордского университета вместе с коллегами предлагают разместить два атомных интерферометра на значительном расстоянии друг от друга и использовать два лазера — по одному из каждого интерферометра, чтобы переводить атомы удалённого интерферометра в возбуждённое состояние и обратно. Тогда время, которое каждый атом проводит в возбуждённом состоянии, будет зависеть от времени пути лазерного импульса межу двумя интерферометрами.

«Каждое облачко атомов [среда атомного интерферометра] станет секундомером, — поясняет г-н Казевич. — Когда лазерный импульс придёт с одного направления, это запустит отсчёт. А когда он придёт с другого направления, импульс остановит отсчёт».

Если расстояние между этими двумя приборами будет постоянным, атомы обоих устройств получат одинаковый фазовый сдвиг. Однако если на них подействуют ГВ от далёкого события вроде слияния пары чёрных дыр, то расстояние между ними изменится (та самая «рябь» пространства–времени), и один из интерферометров ускорится относительно другого. И тогда атомы в приборах получат разный фазовый сдвиг, а поскольку для возбуждения атомов в обоих интерферометрах будут использоваться одни и те же лазеры, влияние на измерение фазового шума от лазеров сведётся к нулю.

«Свет просто действует как средство запуска и остановки часов, — подчёркивает Марк Казевич. — А всю тяжёлую работу делает атом».



Схема установки двух атомных интерферометров. (Иллюстрация Peter Graham et al).

Само собой, чтобы всё получилось, расстояние между интерферометрами должно быть значительным.

По сути, для их размещения подходит только космос, точнее — околоземная орбита. То есть проект всё ещё остаётся довольно сложным с технической точки зрения. Однако исключение из параметров, влияющих на измерения, фазового «шума» от лазеров означает, что перед нами самая точная из когда-либо представленных теоретических схем регистрации гравитационных волн.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Источник