引力波的四极性质，以及自旋向列有序的戈德斯通模式，通过相关的时空扭曲或自旋向列基态来可视化。图片来源：《物理评论 B》（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevB.109.L220407

当两个黑洞相撞时，空间和时间震动，能量像池塘中的涟漪一样扩散开来。这些引力波由爱因斯坦在1916年预言，并于2015年9月被激光干涉引力波天文台（LIGO）望远镜首次观测到。

观测引力波是一项深不可测的复杂工程壮举：为了探测太阳系大小的引力波，必须测量小于原子核直径的长度变化。

但现在，来自冲绳科学技术研究所（OIST）、东北大学和东京大学的研究人员提出了一种在实验室工作台上通过冷原子的量子凝聚体模拟引力波的方法。

这些科学家都是OIST量子物质理论部门的现任或前任成员，他们的研究结果现已发表在《物理评论B》杂志上，该论文被选为编辑选择。

“爱因斯坦的广义相对论改变了我们对空间和时间的思考方式，”该研究的资深作者、该部门负责人尼克·香农教授回忆道。“它告诉我们，太空可以弯曲形成黑洞，并且可以振动，产生以光速穿越宇宙的波。这些引力波包含了关于我们宇宙的重要信息。问题是它们非常非常难观察。

为了应对这一挑战，科学家们建造了巨大的引力波望远镜，如美国的LIGO、欧洲的Virgo干涉仪和日本的Kamioka引力波探测器（KAGRA）。但是，即使使用这些直径数公里的仪器，我们也只能检测到来自最剧烈的天文事件的波，例如黑洞碰撞。

另一种方法是探索地球上模仿广义相对论不同方面的现象。一次偶然的机会，该团队意识到，他们在实验室中研究的磁铁和冷原子中的量子现象可以提供引力波的精确模拟。

“这个结果很重要，”东京大学的Han Yan教授说，“因为它使得在更简单的实验环境中模拟和研究引力波成为可能，并利用结果来帮助我们理解真实的引力波。

除了对引力波的预测外，爱因斯坦还预测，玻色子（一种量子粒子）在冷却时可能以允许形成玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）的状态存在，即一组粒子完全一致地起作用。

该团队专注于一种特定类型的BEC中的物质，称为自旋向列学。“向列相无处不在，”Shannon 教授解释说，“在我们的智能手机、平板电脑和电视的液晶显示器 （LCD） 中。在液晶显示器中，微小的棒状分子均匀排列，并控制屏幕中光线的流动。

OIST团队一直在研究液晶的量子版本，即自旋向列学。与LCD中的分子不同，处于自旋向列态的量子粒子支持波，这些波将能量传递到整个系统中。

“我们意识到，自旋向列状态下的波的性质在数学上与引力波的性质相同，”Shannon教授说，“由于早期与Rico Pohle教授和Yutaka Akagi教授的合作，我们知道如何模拟这些波。

“我一直对这样一个事实感到着迷，即我们可以通过非常相似的底层数学结构来描述看似不同的现象，对我来说，这是物理学中最美丽的部分，”来自OIST部门的Leilee Chojnacki博士说，该研究的主要作者。

“所以，对我来说，研究两个非常不同的物理学分支，引力波和冷原子的量子物理学，并以一种以前从未探索过的方式将它们结合在一起，这对我来说非常令人兴奋。

更多信息：Leilee Chojnacki 等人，自旋向列学和冷原子中的引力波类似物，《物理评论 B》（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevB.109.L220407

期刊信息： Physical Review B