内部原子停止震荡：首次让公斤级的物体近乎完全静止

很少有东西是完全静止的。宇宙中所有正常的物质都是由嗡嗡作响的粒子组成，它们只管自己的事，以自己的频率振动。

如果我们能让它们尽可能放慢速度，物质就进入了所谓的运动基态。在这种状态下，物理学家可以进行量子力学和量子引力实验，探测经典物理学的边界，寻找统一两者的方法。

以前，这是在纳米尺度上进行的；但现在，这是第一次在巨大的 "物体"上进行实验——LIGO引力波干涉仪的四面镜子的集体运动——被称为光机械振荡器，有效质量为10公斤。

这项工作代表了一种探测量子领域的新方法。

麻省理工学院的机械工程师Vivishek Sudhir说："从来没有人观察到引力是如何作用于大规模量子态的。我们展示了如何在量子状态下制备公斤级的物体。最终为引力如何影响大型量子体的实验研究打开了大门。"

让一团原子进入量子基态并不容易。你需要施加恰到好处的力来“冷却”原子，以阻止其振动。如果你对它的冷却不够，它只会变慢；所以你需要知道原子振动的确切能量水平和方向，以便用适当的力来阻止它。

这被称为 "反馈冷却"，在纳米尺度上做起来更简单，规模越大，处理干扰就越难。

LIGO是测量精细运动的最精确仪器之一。它被设计用来探测数十亿光年外的大质量物体之间的碰撞所产生的微小的时空涟漪。

它由一个L形的真空室组成，激光沿着两条4公里的隧道射出，并打到分光器上的四面镜子上，每个隧道的两端各一个。当时空出现涟漪时，镜子会扭曲光路，产生干扰模式，科学家可以解码以确定其原因。它是如此敏感，以至于它可以检测到相当于仅质子直径万分之一尺度的变化。

LIGO 40公斤重的镜子是悬挂起来的，它们的集体运动构成了振荡器。平衡有效地将总重160公斤的镜子组等效于只有10公斤重的单一物体。

Sudhir说："LIGO旨在测量四个40公斤重的镜子的联合运动。事实证明，你可以从数学上映射出这些质量的联合运动，并把它们看作是单一的10公斤物体的运动。"

通过精确测量镜子振荡器的运动，研究人员希望能准确地计算出诱发运动基态所需的反馈冷却率……然后，显然，应用它。

不幸的是，测量的行为本身就给方程带来了一定程度的随机性，使得它很难预测从镜子的原子中吸取能量所需的各种推动力。

为了纠正这一点，研究小组巧妙地分析了每个光子，以估计上一轮反射碰撞的能量，不断建立更准确的映射。

然后，他们使用连接到镜子背面的电磁铁施加计算出的力。

实验成功了。振荡器停止了运动，几乎完全停止。它的剩余能量相当于77纳开尔文的温度(-273.15摄氏度)。

它与运动基态，10纳开尔文，非常接近，特别是考虑到室温。而77纳开尔文也非常接近用于纳米尺度研究运动基态的能量规格。

此外，它为令人兴奋的可能性打开了大门。对量子现象进行宏观规模的演示和测量，甚至可能带来实际应用。

但是，量子引力是最大的亮点。公斤级的物体受引力的影响更加显著。

麻省理工学院和LIGO合作的物理学家 Chris Whittle说："在基态下准备一些东西往往是将其放入令人兴奋或奇异的量子状态的第一步。所以这项工作是令人兴奋的，因为它可能会让我们在以前从未做过的质量规模上研究某些奇异状态。"

这项研究已经发表在《科学》上。

https://www.sciencealert.com/physicists-have-cooled-ligo-s-oscillator-nearly-to-its-quantum-ground-state

Recommend