接近絕對零度

如果僅僅用肉眼判斷,我們會覺得靜止的物體就是完全「不動」的,似乎看不出任何運動。但如果給我們一個「量子透鏡」,使我們能夠看到單個原子尺度的物體,就會發現一個新的天地:一顆放在桌上的蘋果,看起來就會變成一堆振動的粒子,在活躍地運動著。

溫度可以看作衡量我們周圍的原子和分子運動量和速度的一種指標。當物體被冷卻時,它們的分子運動得就更少。絕對零度」就是那個原子和分子完全停止運動的點。

然而,量子力學認為,由於不確定性原理,完全不存在運動是不可能的。相反,在量子力學中,絕對零度的溫度概念對應著一種「運動基態」,它也可以理解成一種物體理論上可以擁有的最小運動量

在過去幾十年間,物理學家找到了不少方法,讓物體的溫度降得越來越低,使它們的原子處於幾乎靜止,也就是接近運動基態的狀態。為了使物體停止運動,一種方法就是對它施加方向相反、大小相等的力,這就好像用手接住飛行的球一樣。如果科學家能精確地測量原子運動的大小和方向,就可以施加反作用力使其降溫,這就是反饋冷卻技術的簡單原理。

到目前為止,物理學家已經藉助各種方式應用反饋冷卻,使得單個原子或者超輕的物體達到其量子基態,同時,他們一直在努力對越來越大的物體進行這種超冷卻,從而研究更大規模的經典系統中的量子效應。

被「冷卻」的四面反射鏡之一。| 圖片來源:Matt Heintze / Caltech /MIT / LIGO Lab via The Conversation

直到近期,一組科學家首次將人類尺度上的大型物體冷卻到接近其運動基態。這個「物體」不是傳統意義上位於某個位置的有形的東西,而是4個獨立物體的組合運動,其中每個物體重約40千克。研究中被冷卻的「物體」質量相當於約10千克,包含約1 x 10²⁶個原子。實驗中,它達到了相當於77納開爾文的溫度,距離預測的運動基態僅「一步之遙」。研究已於近日發表在《科學》雜誌上。

而這組「物體」的名字你一定聽過,它就是鐳射干涉引力波觀測臺LIGO)。

眾所周知,LIGO探測的是時空中微小的漣漪,也就是引力波。這些波來自遙遠星系中的黑洞或者其他恆星碰撞的災難性事件,它們在探測器中引起的運動甚至比一個質子還要小得多。因此,這要求儀器必須對振動格外敏感。

LIGO由位於美國不同地點的雙干涉儀組成。每個干涉儀有兩條長隧道,連接成L形,每條隧道兩端都有一面重40千克的反射鏡。LIGO使用鐳射探測引力波,鐳射沿著長隧道發射,在兩對反射鏡之間來回反彈,然後組合產生干涉圖案。鏡子之間距離的微小變化則顯示為鐳射強度的波動。

LIGO鳥瞰圖(上)及儀器原理示意圖(下)。| 圖片來源:LIGO Laboratory

這四面反射鏡的聯合運動會被精確地控制,使它們不受周圍的振動的干擾,甚至能夠補償鐳射從它們上面反射時的微小衝擊。

為了將一個大型物體的原子冷卻到接近基態,一個首要條件便是極其精確地測量出它們的運動,從而得到停止這種運動所需的相反的力。目前很少有儀器能夠達到這樣的精度,然而LIGO的這四面反射鏡恰恰有此潛力。

反射鏡之一。| 圖片來源:Caltech/MIT/LIGO Lab via MIT

科學家從數學上證明,四面40千克的反射鏡的聯合運動,相當於一個10千克物體的運動。換句話說,在這個實驗中觀察到的鐳射強度變化的模式和我們從一面10千克的鏡子中看到的一樣。

實驗並沒有測量單個分子的運動。相反,他們測量的是所有原子的平均運動(質心運動)。當測量原子和其他量子效應時,測量行為本身能夠隨機地反衝鏡子並使其運動,這是一種被稱為「測量反作用」的量子效應。

當鐳射的單個光子從鏡子上彈起來收集有關鏡子移動的資訊時,光子的動量會向後推鏡子。這樣一來,如果對鏡子連續測量,從後面光子中得到的資訊就能反映出之前的光子的隨機反衝。

通過每面鏡子上的完整記錄,研究人員就可以對鏡子施加方向相反、大小相同的力,使得集體運動幾乎完全停止。

最終的結果便是,雖然這四面反射鏡在物理上仍然維持著室溫條件,如果有人能摸到它們,也並不會感到冷,但10千克系統的平均運動實際上僅僅相當於77納開爾文的溫度。他們預測該系統的運動基態是10納開爾文,換句話說,這一狀態已經非常接近其運動基態

對物理研究來說,讓物體達到基態往往是第一步,這就意味著之後可以讓它達到激發量子態或奇異量子態。

在極微小的尺度上,量子世界隱藏著許多奇怪的現象。然而,即使我們的宏觀世界是由這些服從量子現象的微小物體構成的,但我們在更大尺度上並不能看到這些量子效應。科學家相信,這個實驗是我們理解量子力學和宏觀世界之間差距的重要一步

反射鏡之一。| 圖片來源:Danny Sellers / Caltech / MIT / LIGO Lab via The Conversation

此外,儘管經過了一個多世紀的探索,但目前仍然無法調和引力與量子力學。類似的實驗,特別是如果能使物體更接近基態,可能會為這個謎題帶來深刻的認識。

未來幾年裡,隨著對LIGO的繼續改進,科學家或許還能以更高的精度重複這個量子力學實驗。這些探索可能為我們深入了解量子力學與廣義相對論之間的不一致性提供新的見解。

#創作團隊:

文字:Takeko

#參考來源:

https://theconversation.com/approaching-zero-super-chilled-mirrors-edge-towards-the-borders-of-gravity-and-quantum-physics-162785

https://news.mit.edu/2021/motional-ground-state-ligo-0618

#圖片來源:

封面:Danny Sellers / Caltech / MIT / LIGO Lab via The Conversation

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