科學家測量到量子漲落對人類體量的物體產生的影響

2021-02-15 煎蛋

從量子力學的角度，宇宙是一個嘈雜的，動蕩的空間，粒子不斷閃爍，湧現再消失，並形成了作為背景的量子噪聲——通常無法在通常的物體上體現出這種效應的微妙效果。

麻省理工學院LIGO實驗室的研究團隊現在卻測量出量子漲落對接近人身尺度物體的影響。在《自然》上發表的論文裡，研究人員報告說，儘管量子波動很小，但仍能「踢」一腳美國國家科學基金會雷射幹涉儀引力波天文臺(LIGO)上40公斤重的鏡子，導致它移動了很小的幅度。

事實證明，LIGO探測器中的量子噪聲足以將大反射鏡移動10 ^-20米——這種位移早已被理論所預測，但從未經過實地測量。

麻省理工學院卡夫裡天體物理與空間研究所的科學家 Lee McCuller說：「氫原子的尺度是10^-10米，因此鏡子的位移對我們來說相當於一個氫原子的直徑——卻被我們成功地測量出。」

麻省理工學院物理系的研究生Haocun Yu解釋說，研究人員使用了他們設計的一種特殊工具，被稱為量子擠壓器，以「操縱探測器的量子噪聲並減少其對反射鏡的撞擊，從而最終可以提高LIGO在探測引力波方面的靈敏度」。

LIGO旨在檢測從數百萬到數十億光年的天文大事件源頭到達地球的重力波。它包括兩個雙探測器，一個在華盛頓州漢福德，另一個在路易斯安那州利文斯頓。檢測器都是一個L形幹涉儀，由兩個4公裡長的隧道組成，在其末端懸掛有40公斤的反射鏡。

為了檢測引力波，位於LIGO幹涉儀輸入端的雷射沿著檢測器的所有通道發射光束，在通道的遠端從反射鏡反射回來，返回起點。在沒有引力波的情況下，雷射應在相同的精確時間返回。如果有引力波幹擾，它將短暫地擾動反射鏡的位置，從而影響雷射的到達時間。

做了大量工作來使幹涉儀免受外界噪聲的幹擾，從而使探測器有更大的機會識別出重力波產生的極其細微的擾動。

麻省理工學院物理系副教授Nergis Mavalvala說：「這個實驗的特別之處在於我們看到了能夠影響相當於人類體量的量子效應。所以我們自身的存在，每一納秒都在被量子波動衝刷。」

DOI：10.1038/s41586-020-2420-8，www.nature.com/articles/s41586-020-2420-8
期刊信息：自然

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