量子涨落在人体大小物体上测得:移动10的负20次方米

2020年07月02日 11:04 次阅读 稿源:澎湃新闻 条评论

100000000000000000000分之1米(10的负20次方米),这是美国麻省理工学院(MIT)一面40公斤重的镜子,被量子涨落“踢”了一脚的位移。“氢原子的尺寸大约是10的负10次方米,也就是说,这个位移之于氢原子,就像氢原子之于我们。”MIT卡弗里天体物理和太空研究所的科学家Lee McCuller表示。

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作为一种精妙的微观现象,量子涨落还是首次在与人体同等量级的物体上被观测到。此前科学家们只观察到量子涨落移动了纳米级别的材料。这多亏了镜子装置设计得足够灵敏:正是这面镜子,参与了2015年人类首次发现引力波的成果。

相关论文于北京时间7月1日晚间发表在世界顶级学术期刊、英国《自然》杂志上。

量子涨落

与我们日常的视角不同,量子力学描述的是微观世界里的机制,它们往往会颠覆我们的宏观世界观。例如,量子力学认为真空非空,无数粒子会瞬时诞生,又瞬时湮灭,如海上潮水一样涨落,构成了一种量子背景噪音。

我们的身体,也浸泡在这样起起伏伏的量子场中,时时刻刻经受“潮水”的侵袭。只不过,人体本身的热能和运动幅度太大了,量子涨落这点影响就像蜉蚁撼树。

然而,这次实验证明,“大树”并非纹丝不动,而是在量子涨落效应下移动了10的负20次方米。

若非是位于LIGO激光干涉引力波天文台的镜子,难以得到如此精确的数字。

灵敏的镜子

引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论,被形象地比喻为“时空的涟漪”。时间和空间会在质量面前弯曲,时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动传播开来,这些振动就是引力波。

LIGO激光干涉引力波天文台设计了两条呈L形的真空管道,长4公里,末端各放置一面镜子。L中间的拐点处有个激光源,沿两条管子各同时发射一束激光。我们知道,正常情况下它们应该同时被镜子反射,回到中间点相遇。但如果遇到引力波的扰动,就会出现时间差。

显然,为了确定是引力波造成的结果,实验装置需要排除各种外界噪音。在成功测得引力波后,MIT的这个团队进一步打开脑洞:LIGO能不能探测到更微小的波动,例如装置内部的量子涨落?

通过加装一种“量子压缩器”来持续调节LIGO装置中的量子噪音,研究人员得以排除其他常规噪音的影响,得出镜子有10的负20次方米的位移来自于量子涨落。

同时,他们也从测量量子噪音出发,探索出了降低量子噪音的方法,有助于进一步提高LIGO的灵敏度,聆听来自宇宙更深处的微弱引力波。

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