量子漲落首次使40公斤重的鏡子移動10的負20次方米

在量子力學中，量子漲落（英語：quantum fluctuation。或量子真空漲落，真空漲落）是在空間任意位置對於能量的暫時變化[1]。從維爾納·海森堡的不確定性原理可以推導出這個結論。

在空間生成了由粒子和反粒子組成的虛粒子對。粒子對借取能量而生成，又在短時間內湮滅歸還能量。

這些產生的虛粒子的物理效應是可以被測量的，例如，電子的有效電荷與裸電荷不同。從量子電動力學的蘭姆位移與卡西米爾效應，可以觀測到這效應。

量子漲落對於宇宙大尺度結構的起源非常重要，可以解釋宇宙為什麼會出現超星系團、纖維狀結構這一類結構的問題：根據宇宙暴脹理論，宇宙初期是均勻的，均勻宇宙存在的微小量子漲落在暴脹之後被放大到宇宙尺度，成為最早的星繫結構的種子。

科學界對不同類型的相變越來越感興趣，這些相變發生在絕對零溫度(零下273度)。這些轉變不是由溫度驅動。

而是通過改變不同的物理特性來驅動，例如機械壓力或磁場。與經典相變類似，量子相變也伴隨著一相的「氣泡」存在於另一相中。

這些氣泡的科學術語是量子漲落(Quantum fluctuations)。與經典情況不同，溫度的變化是氣泡的原因，在量子情況下，氣泡是由於不確定性原理而產生的，這是量子物理學中的基本規則之一。

這個原則，由德國物理學家Werner Heisenberg開發，指出與人類直覺相反，真空不是空的，而是包含空間中某個點的能量的臨時變化。

即使在絕對零溫度下，這些變化也會導致一相的量子氣泡進入第二相。

你可以把真空當作是0，也就是什麼都沒有。

但量子世界裡，沒有準確值，一切都應該是測不準的。

所以0其實應該是（0-x，0+x）這麼一個測不準的模糊值，只是在0這個位置上概率最大而已。

100000000000000000000分之1米（10的負20次方米），這是美國麻省理工學院（MIT）一面40公斤重的鏡子，被量子漲落「踢」了一腳的位移。

「氫原子的尺寸大約是10的負10次方米，也就是說，這個位移之於氫原子，就像氫原子之於我們。」MIT卡弗裡天體物理和太空研究所的科學家Lee McCuller表示。

作為一種精妙的微觀現象，量子漲落還是首次在與人體同等量級的物體上被觀測到。此前科學家們只觀察到量子漲落移動了納米級別的材料。這多虧了鏡子裝置設計得足夠靈敏：正是這面鏡子，參與了2015年人類首次發現引力波的成果。

相關論文於北京時間7月1日晚間發表在世界頂級學術期刊、英國《自然》雜誌上。

量子漲落

與我們日常的視角不同，量子力學描述的是微觀世界裡的機制，它們往往會顛覆我們的宏觀世界觀。例如，量子力學認為真空非空，無數粒子會瞬時誕生，又瞬時湮滅，如海上潮水一樣漲落，構成了一種量子背景噪音。

我們的身體，也浸泡在這樣起起伏伏的量子場中，時時刻刻經受「潮水」的侵襲。只不過，人體本身的熱能和運動幅度太大了，量子漲落這點影響就像蜉蟻撼樹。

然而，這次實驗證明，「大樹」並非紋絲不動，而是在量子漲落效應下移動了10的負20次方米。

若非是位於LIGO雷射幹涉引力波天文臺的鏡子，難以得到如此精確的數字。

靈敏的鏡子

引力波是愛因斯坦廣義相對論中的重要推論，被形象地比喻為「時空的漣漪」。時間和空間會在質量面前彎曲，時空在伸展和壓縮的過程中，會產生振動傳播開來，這些振動就是引力波。

LIGO雷射幹涉引力波天文臺設計了兩條呈L形的真空管道，長4公裡，末端各放置一面鏡子。L中間的拐點處有個雷射源，沿兩條管子各同時發射一束雷射。我們知道，正常情況下它們應該同時被鏡子反射，回到中間點相遇。但如果遇到引力波的擾動，就會出現時間差。

顯然，為了確定是引力波造成的結果，實驗裝置需要排除各種外界噪音。在成功測得引力波後，MIT的這個團隊進一步打開腦洞：LIGO能不能探測到更微小的波動，例如裝置內部的量子漲落？

通過加裝一種「量子壓縮器」來持續調節LIGO裝置中的量子噪音，研究人員得以排除其他常規噪音的影響，得出鏡子有10的負20次方米的位移來自於量子漲落。

同時，他們也從測量量子噪音出發，探索出了降低量子噪音的方法，有助於進一步提高LIGO的靈敏度，聆聽來自宇宙更深處的微弱引力波。