40千克的鏡子被量子力學(xué)“踢了一腳”，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)宏觀物體量子波動(dòng) | Nature

蕭簫 2020-11-12 13:30:17 來源：量子位

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量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

量子力學(xué)似乎離我們的日常很遠(yuǎn)。

除了偶爾會(huì)被用來收收智商稅（例如，量子波動(dòng)速讀）。

畢竟，微觀與宏觀世界差異很大，前者受量子力學(xué)統(tǒng)治，后者則遵循經(jīng)典力學(xué)的規(guī)則運(yùn)行。

而就在近期，微觀世界與宏觀世界間的次元壁被打破了——

MIT中一面40公斤重的鏡子，被量子力學(xué)“踢”了一腳，發(fā)生了位移。

即使這個(gè)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），但卻無疑是物理研究中關(guān)鍵的一大步。

這個(gè)位移，證明室溫下的量子漲落對(duì)宏觀物體造成的影響確實(shí)可測(cè)。

研究隨后登上《Nature》，網(wǎng)友們對(duì)這項(xiàng)成果感到激動(dòng)不已，因?yàn)檫@標(biāo)志這量子力學(xué)也在支配著宏觀物體，雖然極其微弱，但是已經(jīng)被我們探測(cè)到：

之所以網(wǎng)友們這么驚奇，是因?yàn)樵谌藗兊幕菊J(rèn)知中，量子漲落對(duì)宏觀物體產(chǎn)生的影響根本難以測(cè)量。

這是由量子力學(xué)的基本原理決定的。

測(cè)不準(zhǔn)原理

量子理論的創(chuàng)始人之一海森堡曾提出了著名的“測(cè)不準(zhǔn)原理”：

Δx · Δp ≥ ?/2

Δx代表物體位置的偏差，Δp代表物體動(dòng)量（質(zhì)量×速度）的偏差，二者的乘積不能小于?/2。

這也就意味著任何物體不可能完全靜止下來，會(huì)一直處于波動(dòng)狀態(tài)，否則物體的位移和速度都為0，Δx · Δp = 0。

但?是如此之?。?.05×10-34Js），日常生活中我們根本無法察覺到它的存在。

△ 測(cè)不準(zhǔn)原理

然而，事實(shí)證明，量子波動(dòng)的確對(duì)宏觀物體產(chǎn)生了影響，并足以將40公斤重的大型反射鏡移動(dòng)10^(-20)m的位移。

這么小的位移，科學(xué)家們究竟是怎么測(cè)出來的？

這就必須得提到LIGO的神奇技術(shù)了。

探測(cè)宇宙更深處的引力波

激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO），是用于探測(cè)引力波的一個(gè)大規(guī)模物理實(shí)驗(yàn)和天文觀測(cè)臺(tái)，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助，加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院共同管理運(yùn)營(yíng)。

2015年，LIGO探測(cè)到了由雙黑洞并合引起的引力波信號(hào)，是人類首次直接探測(cè)到引力波。

其主要設(shè)備是位于美國(guó)路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德的兩個(gè)激光干涉儀。具體而言，在LIGO干涉儀中，有兩條長(zhǎng)4公里的真空管道，末端各懸掛一面40公斤重的鏡子。

激光光束通過反射鏡被分為兩束，沿兩臂同時(shí)分別射出，并在鏡子處形成反射。當(dāng)反射回來的光重新相遇，就會(huì)形成干涉現(xiàn)象。

而如果這個(gè)過程遇到引力波的擾動(dòng)，干涉臂的長(zhǎng)度就會(huì)受到影響，激光干涉結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)光強(qiáng)變化。

引力波是時(shí)空中的漣漪，讓空間發(fā)生微弱的扭曲，它的強(qiáng)度極弱。

就拿人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)引力波為例：當(dāng)時(shí)的引力波傳播到地球上時(shí)，只能讓北京到上海之間改變不到一個(gè)原子核的距離。

這也是愛因斯坦預(yù)測(cè)100年后人類才找到引力波的原因。直到科學(xué)家們建造了LIGO之后，才讓發(fā)現(xiàn)引力波成為可能。

任何一點(diǎn)微小的振動(dòng)都可能把引力波造成的振動(dòng)淹沒。所以科學(xué)家們想盡一切辦法，只為減小一切外界的干擾因素。

但問題在于，真空之中存在量子漲落現(xiàn)象，這就會(huì)“擠壓”鏡子，造成鏡子的位移，產(chǎn)生背景噪聲。

當(dāng)LIGO試圖探測(cè)宇宙更深處、更微弱的引力波信號(hào)時(shí)，由于量子噪聲和引力波信號(hào)間的信噪比太低，引力波引號(hào)就會(huì)被淹沒在量子噪聲中。

那么，量子噪聲能被具體測(cè)出來嗎？

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并加裝一個(gè)名為量子擠壓器的裝置，用來調(diào)整LIGO干涉儀內(nèi)量子噪聲的特性，從而提高LIGO在探測(cè)引力波方面的靈敏度。

量子壓縮的總體思想是，將量子噪聲表示為沿相位和振幅兩個(gè)主軸的不確定性范圍。

如果像應(yīng)力球一樣擠壓此球體，使球體沿振幅軸收縮，實(shí)際上就會(huì)縮小振幅狀態(tài)的不確定性（壓縮），同時(shí)增加相位狀態(tài)的不確定性（膨脹）。

由于相位不確定性是LIGO產(chǎn)生噪聲的主要原因，壓縮相位能有效提高LIGO的信噪比。

首先，他們從測(cè)量了LIGO干涉以內(nèi)的總噪聲，包括量子噪聲和經(jīng)典噪聲，所謂經(jīng)典噪聲，是指熱能等因素造成的日常振動(dòng)所帶來的干擾。

然后，打開擠壓器，改變量子噪聲的特性。

數(shù)據(jù)顯示，減去經(jīng)典噪聲之后，激光束相位和反射鏡位置的不確定性會(huì)組合形成低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限（SQL）量子噪聲。并且僅靠量子噪聲，就使鏡子移動(dòng)了10^(-20)米。

也就是說，宏觀物體的量子波動(dòng)被觀測(cè)到了，并且是在室溫條件下！

論文作者之一，MIT物理系教授Nergis Mavalvala解釋說：

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的特別之處在于我們已經(jīng)看到了像人一樣的宏觀物體身上的量子效應(yīng)。

同樣，我們存在的每一納秒都在被這樣的量子波動(dòng)影響。只是我們的熱能相對(duì)于量子波動(dòng)來說太大了，以致于無法測(cè)量出量子波動(dòng)對(duì)我們的影響。

但現(xiàn)在，通過LIGO的鏡子，我們完成了這些工作：將它們與熱驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和其它作用力分隔開，這樣微觀的量子漲落就可以在宏觀角度被觀察到。

不僅如此，這也就意味著，LIGO具備了更高的探測(cè)精度，可以探測(cè)到更多宇宙深處的微弱引力波。

在這項(xiàng)研究的加持下，現(xiàn)在，LIGO探測(cè)到引力波的頻率，已經(jīng)從每個(gè)月提高到了每周。

這樣的突破，讓網(wǎng)友們也興奮了起來。

有網(wǎng)友沉浸其中。

這項(xiàng)研究實(shí)在是太棒了，別問我在說啥。

有網(wǎng)友開始認(rèn)真求問，引力波探測(cè)器內(nèi)部的構(gòu)造是不是與卡西米爾效應(yīng)有關(guān)。

這是卡西米爾效應(yīng)嗎？?jī)蓧K（導(dǎo)體）板之間因?yàn)榱孔訚q落存在一個(gè)微小的吸力？

更有網(wǎng)友對(duì)未來的科學(xué)發(fā)展進(jìn)行了大膽預(yù)測(cè)。

這聽起來太不可思議了，也許將來的測(cè)量精度能超出量子極限……

華人一作

論文第一作者，為華人女博士Haocun Yu，來自哈爾濱，高中曾就讀于哈爾濱三中。

2015年從英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院本科畢業(yè)之后，出于對(duì)引力波檢測(cè)的興趣，她進(jìn)入麻省理工學(xué)院攻讀物理學(xué)博士，2020年畢業(yè)。

目前在MIT從事引力波檢測(cè)和LIGO干涉儀的壓縮及量子相關(guān)性的研究。

論文的另一位通訊作者，是MIT Kavli天體物理和空間研究所研究科學(xué)家McCuller Lee，研究領(lǐng)域是射電天文學(xué)和LIGO的相關(guān)項(xiàng)目研究。

參考鏈接：

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.nature.com/articles/d41586-020-01914-4

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