小小量子漲落,撼動大大物體

2020-12-03 騰訊網

量子力學表明，在極小尺度上，粒子對會在空間中的每個點上瞬間產生和毀滅，這種鬼魅般的現象被稱為量子漲落。它是一種即使在真空中也會發生的粒子和場的擾動。這種漲落是量子力學中海森堡不確定性原理的自然結果，它的存在會對周圍物質產生微妙的影響，從而導致一系列可被觀測到的效應。

真空漲落。| 圖片來源：Derek Leinweber

根據不確定性原理，我們無法同時絕對精確地測量一對物理量（比如粒子的位置和速度），這限制了我們以更高精度測量微小的力和位移。在一項新研究中，來自麻省理工學院的科研團隊首次測量了量子漲落對人類尺度物體的影響，得到了突破量子極限的微小位移測量。

在這項新的研究中，被測量的對象是我們熟悉的雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）的反射鏡。2015年9月，LIGO團隊經過幾十年的努力，終於首次探測到了由雙黑洞合併產生的引力波。LIGO在世界各地都建立了探測器，但在那次突破性發現中起到主要作用的有兩個，一個位於美國華盛頓的漢福德，另一個位於路易斯安那州的利文斯頓。

LIGO，呈L形的大型幹涉儀。| 圖片來源：Nobelprize.org

探測器是兩個呈L形的幹涉儀，由兩個互相垂直的長達4千米的長臂組成，在長臂末端有一個質量為40公斤的反射鏡。其工作原理是位於LIGO幹涉儀輸入端的雷射器會向探測器發送一束雷射，分光鏡會將這束雷射分成兩束，分別沿著兩條垂直的長臂傳播，然後再從遠端的鏡面反射回起點。

在沒有引力波的情況下，兩束雷射會在同一時間返回起點，它們的波長相等，因此兩束光在相遇時發生幹涉並完全抵消。但如果有引力波通過，那麼它會短暫地幹擾到鏡面的位置，使得一個長臂略長於另一個長臂，從而影響雷射返回的時間；在這種情況下，當返回的兩束雷射再進行幹涉時，便不能再完全相互抵消，從而使探測器得以記錄到由微弱的位移導致的幹涉圖樣。

為了保護LIGO不受外部噪聲的幹擾，從而更好地識別出由引力波產生的這種極其微妙的變化，LIGO的研究人員已經做了很多努力來儘可能地排除這些擾動。雷射中的量子漲落就是一種可以產生輻射壓力的量子噪聲，這種壓力能對物體產生衝擊。在新的研究中，研究人員想要知道，LIGO是否靈敏到能感受到這種更微小的效應，即在LIGO雷射器的光子中所產生的量子噪聲。

其實，這並不是科學家第一次在大尺度宏觀物體上觀測量子效應。宏觀物體存在的每一刻也都在被量子漲落「踢」來「踢」去，只是對這些物體來說，量子漲落太過於微小，無法產生能影響其運動的效應，因此難以被察覺。

一名光學技術人員正在檢查LIGO的一面鏡子。| 圖片來源：Matt Heintze/Caltech/MIT/LIGO Lab

這一次的研究對象是質量重大40公斤的反射鏡，相比於過去許多測量量子效應的研究，這一質量是那些納米尺度的物體的10億倍。這使得測量這種效應成了一項極具挑戰的嘗試。

為了測量是否能在LIGO的巨大反射鏡上測量到微小的量子漲落，研究人員為幹涉儀建造了一個特殊的附加設備，他們稱之為量子擠壓器。這是研究人員專門設計的一個裝置，它能調節LIGO幹涉儀內的量子噪聲的性質，從而控制探測器的量子噪聲。

他們首先測量了LIGO幹涉儀中的總噪聲，這包括背景量子噪聲，以及由日常振動等造成的經典噪聲。然後他們打開量子擠壓器，將其設置到一個能改變量子噪聲性質的特定狀態。接著在數據分析的過程中，將經典噪聲減除，從而分離出幹涉儀中的純量子噪聲。在此過程中，探測器會持續監測由任何噪聲導致的鏡面位移。

最終，研究人員就觀測到，當僅有量子噪聲時，反射鏡面會移動10⁻²⁰米。這一測量結果與量子力學的預測完全一致。10⁻²⁰米是極小的距離，氫原子的長度是10⁻¹⁰米。類比說來，鏡面位移相對於氫原子大小，就如同氫原子大小相對於人類。在此之前，還從未有科研團隊作出過這樣的測量。

在得到了這個結果之後，研究小組想進一步知道，能否可以通過操縱量子擠壓器來降低幹涉儀內部的量子噪聲。

擠壓器的運作原理是當它被設置到某個特定狀態時，它可以「擠壓」量子噪聲的某些特性，比如相位和振幅。相位漲落可以被視為是由光的傳播時間的量子不確定性引起的，而振幅漲落是由這種量子漲落對鏡面產生衝擊而造成的。因此，他們認為通過進行調節，或許可以減少噪聲。比如當擠壓器處於一個可以擠壓相位的不確定性，同時增大振幅的不確定性的特定狀態時。

從不同角度對量子噪聲進行擠壓會在LIGO探測器內產生有著不同的相位和振幅比的噪聲。研究人員想知道，如果改變擠壓的角度，是否會在LIGO的雷射器和反射鏡之間導致可被測量的量子相關性。他們為擠壓器設置了12個不同的角度，結果表明，這種相關性的確存在。

通過這些量子相關性，研究人員將量子噪聲以及由此產生的鏡面位移擠壓到了正常水平的70%。而這個值是低於量子極限的。所謂量子極限，指的是在量子力學中，給定數量的光子在理論上預計會產生一個最低限度的量子漲落，從而對路徑上的任意物體產生特定的衝擊。

通過在LIGO測量中使用擠壓光來減少量子噪聲，研究人員已經獲得了比標準量子極限更精確的測量。這對引力波天文學來說無疑是則好消息，它提高了LIGO在探測引力波時的靈敏度，使LIGO有望探測到更微弱、更遙遠的引力波。

參考來源：

http://news.mit.edu/2020/quantum-fluctuations-jiggle-objects-0701

http://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/ImprovedOperators/

封面圖來源：geralt / Pixabay

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