有史以來最小、最精確的測量需要有史以來最大的科學儀器之一。五年前，雷射干涉引力波天文臺（LIGO）探測到時空中的漣漪，其寬度僅為質子的萬分之一——這是一項技術上的傑作，相當於精確測量到最近恆星的距離，誤差為千分之三釐米。“小人國”般的漣漪是引力波，是宇宙結構中的一種扭曲，由超過十億光年之外的兩個黑洞碰撞產生。
根據阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，任何大質量物體的加速都會在時空中產生波，就像輪船在水中攪動出波浪一樣。然而，愛因斯坦本人認為引力波太弱而無法探測到。他並非過度悲觀。LIGO的四公里長干涉儀——於1999年建成，並於2001年開始搜尋引力波——花了13年時間才最終發現一個。這一發現標誌著天文學新領域的開始，併為該天文臺的三位物理學家贏得了諾貝爾獎。此後，該實驗已經探測到近十幾個更多的引力波事件。現在，正當LIGO步入正軌之際，一個物理學家團隊已經概述了一種建造行動式引力探測器的方法，該探測器只有一米長，比LIGO小4000倍。
這項提案即將發表在《新物理學雜誌》上，描述了一種探測器，它將利用一種奇怪的量子力學現象來揭示引力波的透過。“從實驗方面來說，首先也是最重要的一點是，建造它將非常困難，”英國華威大學的物理學家、該研究的合著者之一加文·莫利說。然而，如果該團隊成功，新裝置將提供一種更緊湊的引力波探測方法，可以在世界各地的許多實驗室中複製。
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波的抵消
物理學家們將他們提出的裝置稱為度規和曲率的中尺度干涉儀（MIMAC）。儘管MIMAC和LIGO在尺寸上存在巨大差異，但它們都尋找相同的效應：引力波以光速傳播引起的時空有節奏的拉伸和收縮。
在LIGO的案例中，建造了兩個相同的儀器——一個在路易斯安那州利文斯頓，另一個在華盛頓州漢福德——以排除來自區域性引力效應的虛假訊號。每個站點都有兩個四公里長的真空室，它們以90度角相交，在地面上形成一個大寫的L形。由高純度二氧化矽製成的四十公斤重的鏡子位於每個真空室的兩端。雷射束不斷在鏡子之間來回穿梭，由L形角落的光探測器監控。
LIGO的設計使得在正常條件下，來自每個臂的光波在探測器處相遇時會相互抵消：由於來自每個臂的光的波峰和波谷重疊，因此沒有訊號到達探測器。但是，如果引力波穿過臂，它會週期性地拉伸其中一個臂並壓縮另一個臂，從而使它們的長度改變質子直徑的一小部分。然後，光波不再相互抵消：它們將光脈衝與透過的引力波同步傳送到探測器，從而產生獨特的閃爍模式。
那麼，一個一米長的裝置如何才能完成同樣的壯舉呢？MIMAC的關鍵組成部分將是一個不大於百萬分之一米的金剛石顆粒。研究人員希望將這樣的金剛石置於量子疊加態——金剛石將同時佔據兩個不同位置的狀態——然後等待它與引力波相互作用。
有缺陷的金剛石
除了莫利，該團隊還包括倫敦大學學院的蘇加託·玻色、彼得·巴克和瑞安·馬什曼，以及荷蘭格羅寧根大學的阿努帕姆·馬祖姆達爾和史蒂文·霍克斯特拉。為了建立疊加態，他們會將微波束射向單個電子，該電子束縛在金剛石碳原子晶格中的人為缺陷上。（缺陷由插入到原本均勻的碳陣列中的單個氮原子組成。）然後，量子理論的非凡規則將開始發揮作用：電子將同時吸收和不吸收微波光子，從而建立金剛石的量子疊加態。吸收光子的金剛石“分身”中的電子將轉移到所謂的“自旋1”態，這意味著它的行為類似於具有自身磁場的微型磁鐵。金剛石的另一個版本中的電子將保持“自旋0”態——磁中性。玻色和他的同事表示，透過施加外部磁場，應該可以將疊加態的自旋1部分從其中性對應物中拉開，將它們分離到一米遠。最後，物理學家將反轉磁場，將金剛石的兩個位置拉回一起，並用最後一個微波脈衝擊中它。
最後一個脈衝將觸發另一個奇怪的量子效應。在量子領域，粒子實際上並不是嚴格意義上的粒子。它們實際上是波，它們的形狀和大小對應於在給定位置找到“粒子”的機率。最後的微波脈衝將被調整為改變疊加態的形狀，使得自旋1態的波峰和波谷重疊並相互抵消，而自旋0態的波峰重疊並相互增強。因此，在沒有任何外部干擾的情況下，對電子的測量總是會發現它處於自旋0態。
但是，任何湧過探測器的引力波都會拉伸疊加態，改變其形狀，使其組成部分在重新結合時不再對齊。然後，對扭曲的疊加態的測量將產生混合結果，其中自旋1態與資料中引力波的頻率同步出現。
至少在理論上是這樣。構建一個可用的模型可能需要數十年。以色列內蓋夫本-古裡安大學的實驗物理學家羅恩·福爾曼沒有參與該提案，他稱這個想法“大膽”。他說，隔離系統以使量子粒子不與環境相互作用將極具挑戰性。“這是一個非常困難的實驗，”他補充說，但“如果有足夠的專注努力，它可能會在我們有生之年實現。”
最大的挑戰之一將是建立金剛石的疊加態，使其在一米的距離內保持穩定。四年多前，斯坦福大學的研究人員成功地將由10,000個原子組成的疊加態分離了約半米——這是目前的記錄。“但是我們現在談論的是用擁有十億或一百億個原子的金剛石來做這件事，那要困難得多，”馬祖姆達爾說。
該裝置所需的許多其他技術——高真空、超低溫、精確控制的磁場——都已分別由各個小組實現。但是將它們結合在一起並非易事。“正如你可以玩雜耍和騎腳踏車，並不意味著你可以同時做這兩件事，”莫利說。
如果該裝置最終建成，它可能會改變引力波天文學。目前世界上的引力波探測器都牢固地固定在地面上。“LIGO唯一可以擁有的方向是由於地球的自轉，”玻色說。另一方面，像MIMAC這樣的小型探測器可以指向天空中的任何方向。世界上任何物理實驗室都可以容納它。“挑戰在於讓其中一個裝置工作起來，”玻色說。“如果其中一個裝置工作了，再製造幾個就很容易了。”