最新实验将较大物体冷却至“量子极限”状态

北京时间 7 月 5 日消息，激光干涉引力波天文台（LIGO）物理学家现已将他们的勘测仪器降低至绝对零度，用于探索所谓的“量子极限”，即支配亚原子粒子崩溃的规则临界点。据悉，LIGO 天文台是全球最大引力波天文台。

依据研究人员介绍，这项实验的目标不是研究引力波，而是理解为什么较大物体目标会遵循量子力学规则，一些物理学家认为可能是由于引力的破坏性影响，导致物体目标出现较大范围的散屑，使它们不再遵循量子规则，而是产生宏观层面上的变化。

在这项最新研究中，LIGO 天文台研究人员冷却了 4 面镜子，每面镜子重量大约 40 千克，从室温降至 77 纳开尔文，从而将原子振动降低到量子力学层面的最低水平之上。

该研究对于能冷却这种大小等级的物体而言是一个巨大飞跃，到目前为止，被完全冷却至最低能级或者基态的最大物体是一个直径 150 纳米的玻璃珠，重量仅有几克。

美国麻省理工学院机械工程助理教授、项目主管维维谢克・苏德赫尔说：“没有人观察到重力是如何作用于大质量量子态，我们现已演示了如何在量子态下准备千克等级的物体，这最终为引力如何影响较大量子物体的实验研究打开一扇门，这是迄今为止唯一的梦想。”

物理理论仍无法描述万有引力是如何作用于亚原子尺度，目前物理学家并不清楚奇点何时处于黑洞中心？以及为什么与其他所有基本自然力量（电磁、弱力和强力）相比，引力强度如此低？然而，引力仅能使用我们关于大型天体的最佳理论进行描述，即爱因斯坦的广义相对论，但由于该理论无法适用于较小尺度范围，广义相对论对宇宙如何运行的分析并不全面。

为了观察引力对大尺度物体的微弱影响，所有可能的外部噪音 —— 任何可能干扰他们寻找信号的因素，这里主要是分子的随机碰撞，都必须从系统中消除，这意味着要使系统变得极其寒冷。一个物体的温度和该物体原子的振动量是成正比的，因此冷却任何物体至绝对零度意味着消除穿过该物体的所有量子等级振动（即声子或者振动量子）。

为了消除这些量子振动，LIGO 研究小组用极其精确的激光器照射镜子，从而测量镜面振动，然后使用电磁场对镜面运动施加一个作用力，减缓镜面运动，并消除镜面上大部分微小振动。通过这种方法，研究小组能够在任何给定时间内将系统中声子平均数量从 10 万亿降低至 10.8。

目前，他们已从四镜系统中消除了大部分振动，物理学家希望研究这些镜子的量子态，观察大尺度物体是如何失去它们的量子特性，这个过程被称为“消相干”。

这并不是第一个在宏观尺度探索量子效应的实验，2021 年 5 月，一支研究小组能够在一对大约 10 微米长的近宏观尺度的鼓上观察到量子纠缠现象。2021 年 3 月，美国媒体还报道了迄今为止对引力的最小测量，这是进一步探索引力作用于量子尺度的又一次尝试。这项研究报告发表在 6 月 18 日《科学》杂志上。

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