美國(guó)科學(xué)家檢測(cè)到有史以來(lái)最小的力

美國(guó)勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員，用一組激光器和一個(gè)獨(dú)特的光誘捕系統(tǒng)制造了一團(tuán)超冷原子云，在其中測(cè)得相當(dāng)于42幺牛頓（1幺牛頓=10-24牛頓）的力，這是有史以來(lái)測(cè)量到的最小的“力”。

愛因斯坦在“相對(duì)論”中預(yù)測(cè)引力波和時(shí)空漣漪的存在，如果想要證實(shí)這個(gè)預(yù)測(cè)，或者想確定牛頓在宏觀范疇下提出的萬(wàn)有引力定律在微觀世界適用到什么程度，就需要捕捉和測(cè)量這種幾乎非常細(xì)微的力，以及它們的運(yùn)動(dòng)。

研究人員在高精細(xì)度的光學(xué)空腔中，對(duì)超冷原子云的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)施加外力，當(dāng)外力與云團(tuán)振蕩頻率達(dá)到共振時(shí)，取得了一種與理論預(yù)測(cè)相一致的力敏感度。

在超靈敏探測(cè)器的核心是機(jī)械振子，這是一個(gè)能將力轉(zhuǎn)化為可衡量的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。將外力施加到振子上時(shí)，就像用一只蝙蝠擊打一個(gè)鐘擺。“我們測(cè)到的是最接近‘標(biāo)準(zhǔn)量子極限的力。之所以能夠達(dá)到這種靈敏度，因?yàn)槭褂玫臋C(jī)械振子僅由1200個(gè)原子組成。”科恩研究組成員西尼·思瑞普勒說(shuō)。

在思瑞普勒和他的同事使用的實(shí)驗(yàn)裝置中，機(jī)械振子的重要成分，是一種用光學(xué)方法能夠困住銣原子并將其冷卻到接近絕對(duì)零度的氣。

困住原子的光阱包括兩個(gè)波長(zhǎng)分別為860納米和840納米的駐波光場(chǎng)，可以分別對(duì)原子產(chǎn)生均等反向的軸向力。調(diào)制840納米波長(zhǎng)光場(chǎng)振幅時(shí)，質(zhì)心運(yùn)動(dòng)會(huì)被誘導(dǎo)出來(lái)，其直接反應(yīng)會(huì)被一束波長(zhǎng)為780納米的探測(cè)波測(cè)量出來(lái)。

一般來(lái)講，當(dāng)力和運(yùn)動(dòng)的測(cè)量靈敏度達(dá)到量子水平，必然碰到一個(gè)叫做“海森堡不確定性原理”的屏障，該原理認(rèn)為，測(cè)量本身會(huì)因“量子反作用”現(xiàn)象擾亂振子的工作狀態(tài)。這個(gè)障礙被稱為“標(biāo)準(zhǔn)量子極限”。

思瑞普勒解釋了實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，“我們將銣原子從所處環(huán)境中解耦出來(lái)并維護(hù)其冷卻溫度，接下來(lái)，困住原子的激光光束能夠把它們與外部環(huán)境干擾隔離開來(lái)且不至于使它們變熱，這足以使我們接近力靈敏度的極限”。

到目前為止，標(biāo)準(zhǔn)量子極限是人類目前為止能夠達(dá)到的最敏感的程度。在過(guò)去幾十年間，科學(xué)家們采取了一系列對(duì)策，以盡量減少量子反作用現(xiàn)象的發(fā)生和影響，進(jìn)而更靠近標(biāo)準(zhǔn)量子極限，但最好也不過(guò)降低了6到8個(gè)數(shù)量級(jí)。

思瑞普勒認(rèn)為，如果使用更冷一些的原子團(tuán)和改進(jìn)的光腔探測(cè)器，借助已有的能弱化量子反作用的技術(shù)，完全可以展開進(jìn)一步的探測(cè)實(shí)驗(yàn)，而且很可能會(huì)取得更接近標(biāo)準(zhǔn)量子極限的力靈敏度。“一篇發(fā)表在上世紀(jì)80年代的科學(xué)論文預(yù)測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)量子極限可以在5年內(nèi)達(dá)到，現(xiàn)在已經(jīng)花了30多年。但是，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ梢栽跓o(wú)限量接近標(biāo)準(zhǔn)量子極限的同時(shí)，一并展現(xiàn)不同類型的干擾狀態(tài)。”思瑞普勒說(shuō)。

如今，這一可行方法給科學(xué)家試圖探測(cè)引力波提供了一種可行方案；對(duì)于那些希望證明牛頓定律是否適用于量子世界的人來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在獲得了新的檢驗(yàn)方法；實(shí)驗(yàn)中增強(qiáng)的力敏感度，也為原子力顯微鏡的改進(jìn)指明了路徑。