40千克的镜子被量子力学“踢了一脚”,科学家首次发现宏观物体量子波动

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40千克的镜子被量子力学“踢了一脚”,科学家首次发现宏观物体量子波动

40 千克的镜子被量子力学 ” 踢了一脚 “,科学家首次发现宏观物体量子波动 | Nature

量子力学似乎离我们的日常很远。

除了偶尔会被用来收收智商税(例如,量子波动速读)。

毕竟,微观与宏观世界差异很大,前者受量子力学统治,后者则遵循经典力学的规则运行。

而就在近期,微观世界与宏观世界间的次元壁被打破了——

MIT 中一面 40 公斤重的镜子,被量子力学 ” 踢 ” 了一脚,发生了位移。

即使这个位移大小和原子相比,就像拿原子的大小和人相比(只位移了 10^ ( -20 ) m),但却无疑是物理研究中关键的一大步。

这个位移,证明室温下的量子涨落对宏观物体造成的影响确实可测。

研究随后登上《Nature》,网友们对这项成果感到激动不已,因为这标志这量子力学也在支配着宏观物体,虽然极其微弱,但是已经被我们探测到:

之所以网友们这么惊奇,是因为在人们的基本认知中,量子涨落对宏观物体产生的影响根本难以测量。

这是由量子力学的基本原理决定的。

测不准原理

量子理论的创始人之一海森堡曾提出了著名的 ” 测不准原理 “:

Δ x · Δ p ≥ /2

Δ x 代表物体位置的偏差,Δ p 代表物体动量(质量 × 速度)的偏差,二者的乘积不能小于 /2。

这也就意味着任何物体不可能完全静止下来,会一直处于波动状态,否则物体的位移和速度都为 0,Δ x · Δ p = 0。

但 是如此之小(1.05 × 10-34Js),日常生活中我们根本无法察觉到它的存在。

△ 测不准原理

然而,事实证明,量子波动的确对宏观物体产生了影响,并足以将 40 公斤重的大型反射镜移动 10^ ( -20 ) m 的位移。

这么小的位移,科学家们究竟是怎么测出来的?

这就必须得提到 LIGO 的神奇技术了。

探测宇宙更深处的引力波

激光干涉仪引力波天文台(LIGO),是用于探测引力波的一个大规模物理实验和天文观测台,由美国国家科学基金会资助,加州理工学院和麻省理工学院共同管理运营。

2015 年,LIGO 探测到了由双黑洞并合引起的引力波信号,是人类首次直接探测到引力波。

其主要设备是位于美国路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的两个激光干涉仪。具体而言,在 LIGO 干涉仪中,有两条长 4 公里的真空管道,末端各悬挂一面 40 公斤重的镜子。

激光光束通过反射镜被分为两束,沿两臂同时分别射出,并在镜子处形成反射。当反射回来的光重新相遇,就会形成干涉现象。

而如果这个过程遇到引力波的扰动,干涉臂的长度就会受到影响,激光干涉结果就会出现光强变化。

引力波是时空中的涟漪,让空间发生微弱的扭曲,它的强度极弱。

就拿人类发现的第一个引力波为例:当时的引力波传播到地球上时,只能让北京到上海之间改变不到一个原子核的距离。

这也是爱因斯坦预测 100 年后人类才找到引力波的原因。直到科学家们建造了 LIGO 之后,才让发现引力波成为可能。

任何一点微小的振动都可能把引力波造成的振动淹没。所以科学家们想尽一切办法,只为减小一切外界的干扰因素。

但问题在于,真空之中存在量子涨落现象,这就会 ” 挤压 ” 镜子,造成镜子的位移,产生背景噪声。

当 LIGO 试图探测宇宙更深处、更微弱的引力波信号时,由于量子噪声和引力波信号间的信噪比太低,引力波引号就会被淹没在量子噪声中。

那么,量子噪声能被具体测出来吗?

研究团队设计并加装一个名为量子挤压器的装置,用来调整 LIGO 干涉仪内量子噪声的特性,从而提高 LIGO 在探测引力波方面的灵敏度。

量子压缩的总体思想是,将量子噪声表示为沿相位和振幅两个主轴的不确定性范围。

如果像应力球一样挤压此球体,使球体沿振幅轴收缩,实际上就会缩小振幅状态的不确定性(压缩),同时增加相位状态的不确定性(膨胀)。

由于相位不确定性是 LIGO 产生噪声的主要原因,压缩相位能有效提高 LIGO 的信噪比。

首先,他们从测量了 LIGO 干涉以内的总噪声,包括量子噪声和经典噪声,所谓经典噪声,是指热能等因素造成的日常振动所带来的干扰。

然后,打开挤压器,改变量子噪声的特性。

数据显示,减去经典噪声之后,激光束相位和反射镜位置的不确定性会组合形成低于标准量子极限(SQL)量子噪声。并且仅靠量子噪声,就使镜子移动了 10^ ( -20 ) 米。

也就是说,宏观物体的量子波动被观测到了,并且是在室温条件下!

论文作者之一,MIT 物理系教授 Nergis Mavalvala 解释说:

这个实验的特别之处在于我们已经看到了像人一样的宏观物体身上的量子效应。

同样,我们存在的每一纳秒都在被这样的量子波动影响。只是我们的热能相对于量子波动来说太大了,以致于无法测量出量子波动对我们的影响。

但现在,通过 LIGO 的镜子,我们完成了这些工作:将它们与热驱动运动和其它作用力分隔开,这样微观的量子涨落就可以在宏观角度被观察到。

不仅如此,这也就意味着,LIGO 具备了更高的探测精度,可以探测到更多宇宙深处的微弱引力波。

在这项研究的加持下,现在,LIGO 探测到引力波的频率,已经从每个月提高到了每周。

这样的突破,让网友们也兴奋了起来。

有网友沉浸其中。

这项研究实在是太棒了,别问我在说啥。

有网友开始认真求问,引力波探测器内部的构造是不是与卡西米尔效应有关。

这是卡西米尔效应吗?两块(导体)板之间因为量子涨落存在一个微小的吸力?

更有网友对未来的科学发展进行了大胆预测。

这听起来太不可思议了,也许将来的测量精度能超出量子极限……

华人一作

论文第一作者,为华人女博士 Haocun Yu,来自哈尔滨,高中曾就读于哈尔滨三中。

2015 年从英国帝国理工学院本科毕业之后,出于对引力波检测的兴趣,她进入麻省理工学院攻读物理学博士,2020 年毕业。

目前在 MIT 从事引力波检测和 LIGO 干涉仪的压缩及量子相关性的研究。

论文的另一位通讯作者,是 MIT Kavli 天体物理和空间研究所研究科学家 McCuller Lee,研究领域是射电天文学和 LIGO 的相关项目研究。

参考链接:

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01914-4

https://www.ligo.caltech.edu/mit/news/ligo20200701?utm_source=join1440&utm_medium=email&utm_placement=itkst

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/12/191205113141.htm

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