40千克的鏡子被量子力學“踢了一腳”，科學家首次發現宏觀物體量子波動 | Nature

蕭簫 2020-11-12 13:30:17 來源：量子位

魚羊 蕭簫 發自 凹非寺
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量子力學似乎離我們的日常很遠。

除了偶爾會被用來收收智商稅（例如，量子波動速讀）。

畢竟，微觀與宏觀世界差異很大，前者受量子力學統治，后者則遵循經典力學的規則運行。

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“踢”了一腳，發生了位移。

即使這個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鍵的一大步。

這個位移，證明室溫下的量子漲落對宏觀物體造成的影響確實可測。

研究隨后登上《Nature》，網友們對這項成果感到激動不已，因為這標志這量子力學也在支配著宏觀物體，雖然極其微弱，但是已經被我們探測到：

之所以網友們這么驚奇，是因為在人們的基本認知中，量子漲落對宏觀物體產生的影響根本難以測量。

這是由量子力學的基本原理決定的。

測不準原理

量子理論的創始人之一海森堡曾提出了著名的“測不準原理”：

Δx · Δp ≥ ?/2

Δx代表物體位置的偏差，Δp代表物體動量（質量×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，會一直處于波動狀態，否則物體的位移和速度都為0，Δx · Δp = 0。

但?是如此之小（1.05×10-34Js），日常生活中我們根本無法察覺到它的存在。

△ 測不準原理

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

這么小的位移，科學家們究竟是怎么測出來的？

這就必須得提到LIGO的神奇技術了。

探測宇宙更深處的引力波

激光干涉儀引力波天文臺（LIGO），是用于探測引力波的一個大規模物理實驗和天文觀測臺，由美國國家科學基金會資助，加州理工學院和麻省理工學院共同管理運營。

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

其主要設備是位于美國路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德的兩個激光干涉儀。具體而言，在LIGO干涉儀中，有兩條長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，沿兩臂同時分別射出，并在鏡子處形成反射。當反射回來的光重新相遇，就會形成干涉現象。

而如果這個過程遇到引力波的擾動，干涉臂的長度就會受到影響，激光干涉結果就會出現光強變化。

引力波是時空中的漣漪，讓空間發生微弱的扭曲，它的強度極弱。

就拿人類發現的第一個引力波為例：當時的引力波傳播到地球上時，只能讓北京到上海之間改變不到一個原子核的距離。

這也是愛因斯坦預測100年后人類才找到引力波的原因。直到科學家們建造了LIGO之后，才讓發現引力波成為可能。

任何一點微小的振動都可能把引力波造成的振動淹沒。所以科學家們想盡一切辦法，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象，這就會“擠壓”鏡子，造成鏡子的位移，產生背景噪聲。

當LIGO試圖探測宇宙更深處、更微弱的引力波信號時，由于量子噪聲和引力波信號間的信噪比太低，引力波引號就會被淹沒在量子噪聲中。

那么，量子噪聲能被具體測出來嗎？

研究團隊設計并加裝一個名為量子擠壓器的裝置，用來調整LIGO干涉儀內量子噪聲的特性，從而提高LIGO在探測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主軸的不確定性范圍。

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

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

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

然后，打開擠壓器，改變量子噪聲的特性。

數據顯示，減去經典噪聲之后，激光束相位和反射鏡位置的不確定性會組合形成低于標準量子極限（SQL）量子噪聲。并且僅靠量子噪聲，就使鏡子移動了10^(-20)米。

也就是說，宏觀物體的量子波動被觀測到了，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：

這個實驗的特別之處在于我們已經看到了像人一樣的宏觀物體身上的量子效應。

同樣，我們存在的每一納秒都在被這樣的量子波動影響。只是我們的熱能相對于量子波動來說太大了，以致于無法測量出量子波動對我們的影響。

但現在，通過LIGO的鏡子，我們完成了這些工作：將它們與熱驅動運動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具備了更高的探測精度，可以探測到更多宇宙深處的微弱引力波。

在這項研究的加持下，現在，LIGO探測到引力波的頻率，已經從每個月提高到了每周。

這樣的突破，讓網友們也興奮了起來。

有網友沉浸其中。

這項研究實在是太棒了，別問我在說啥。

有網友開始認真求問，引力波探測器內部的構造是不是與卡西米爾效應有關。

這是卡西米爾效應嗎？兩塊（導體）板之間因為量子漲落存在一個微小的吸力？

更有網友對未來的科學發展進行了大膽預測。

這聽起來太不可思議了，也許將來的測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年從英國帝國理工學院本科畢業之后，出于對引力波檢測的興趣，她進入麻省理工學院攻讀物理學博士，2020年畢業。

目前在MIT從事引力波檢測和LIGO干涉儀的壓縮及量子相關性的研究。

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家McCuller Lee，研究領域是射電天文學和LIGO的相關項目研究。

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