量子漲落在人體大小物體上測得:移動10的負20次方米

2020-12-23 網易科技

(原標題:量子漲落首次在人體大小物體上測得:移動10的負20次方米)

澎湃新聞記者 虞涵棋

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。

本文來源:澎湃新聞 責任編輯:王鳳枝_NT2541

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