科学家提出引力波操控实验，首次尝试实现能量转移
IT之家 12 月 21 日消息，德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）理论物理学家拉尔夫・舒茨霍尔德（Ralf Schützhold）教授提出一项开创性的实验概念，尝试实现人为操控引力波。
该方案基于引力波与光波的能量交换机制，有望为验证引力量子化理论提供关键证据，研究成果已发表于《物理评论快报》。
当黑洞并合、中子星相撞等大质量宇宙事件发生时，便会产生引力波。这种“时空涟漪”以光速在宇宙中传播，仅在时空结构中引起极其微小的变化。
引力波最早由阿尔伯特・爱因斯坦预言，并于 2015 年首次被实验直接证实。在此基础上，许茨霍尔德提出了进一步的研究方向。
舒茨霍尔德指出：“引力作用于万物，包括光。”当引力波与光波相遇时，二者将发生相互作用。其核心构想是通过光波向引力波传递微小能量包。传递的能量对应一个或多个引力子（量子理论中假想的引力传递粒子，尚未被直接观测到）。
简单来说，该过程将极微量的能量从光波转移至引力波，或反向转移。能量转移后，光波的能量会略微降低，其频率随之发生极其细微的变化，而引力波的能量则以相同幅度增加。
“这将使引力波略微增强，”舒茨霍尔德解释，“而光波频率将因能量损失产生极微小变化。”
他同时指出，该过程也可以反向发生，即引力波向光波释放能量。在理论上，这两种效应 —— 引力子的受激吸收与受激辐射 —— 都具备可测性，但需要极其复杂和精密的实验条件。
百万公里级实验设计
为实现该能量交换的测量，舒茨霍尔德设计了超大规模实验装置：在长约一公里的真空腔中，可见光或近红外激光脉冲将在两面反射镜间往返百万次。
在约一公里长的装置中，这将形成约一百万公里的有效光程长度，这一量级被认为足以测量光与引力波相互作用时由引力子吸收和释放所导致的能量交换。
尽管如此，单个或少数引力子引发的光频变化极其微弱。研究认为，借助精心设计的干涉仪，仍有可能对这些频率变化进行观测。
在该方案中，两束光因是否吸收或释放引力子而经历不同的频率变化，随后在传播路径末端重新叠加，形成干涉图样。通过分析干涉结果，可推断频率变化的存在，从而间接验证引力子的能量转移过程。
验证引力量子化的关键路径
“从构想到实验可能需数十年，”舒茨霍尔德坦言，但当前引力波探测设施 LIGO（激光干涉引力波天文台）的技术基础可加速进程。
与传统 LIGO 被动探测引力波引起的时空畸变不同，新方案将首次实现通过受激吸收 / 发射引力子主动操控引力波。若采用量子纠缠的光脉冲，更可大幅提升干涉仪灵敏度。
“届时我们甚至能推断引力场本身的量子态，”舒茨霍尔德强调。虽然这并非引力子的直接证据，但将成为其存在的有力佐证；反之若未观测到预期干涉效应，现有引力子理论将面临挑战。
该方案已引发物理学界高度关注，其潜在价值在于为 " 引力是否遵循量子规律 " 这一世纪难题提供实验验证路径。
IT之家附论文地址：
https://doi.org/10.1103/xd97-c6d7
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