接近绝对零度

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko，原文标题：《接近绝对零度》，题图来自：LIGO Lab

一

如果仅仅用肉眼判断，我们会觉得静止的物体就是完全“不动”的，似乎看不出任何运动。但如果给我们一个“量子透镜”，使我们能够看到单个原子尺度的物体，就会发现一个新的天地：一颗放在桌上的苹果，看起来就会变成一堆振动的粒子，在活跃地运动着。

温度可以看作衡量我们周围的原子和分子运动量和速度的一种指标。当物体被冷却时，它们的分子运动得就更少。“绝对零度”就是那个原子和分子完全停止运动的点。

然而，量子力学认为，由于不确定性原理，完全不存在运动是不可能的。相反，在量子力学中，绝对零度的温度概念对应着一种“运动基态”，它也可以理解成一种物体理论上可以拥有的最小运动量。

在过去几十年间，物理学家找到了不少方法，让物体的温度降得越来越低，使它们的原子处于几乎静止，也就是接近运动基态的状态。为了使物体停止运动，一种方法就是对它施加方向相反、大小相等的力，这就好像用手接住飞行的球一样。如果科学家能精确地测量原子运动的大小和方向，就可以施加反作用力使其降温，这就是反馈冷却技术的简单原理。

到目前为止，物理学家已经借助各种方式应用反馈冷却，使得单个原子或者超轻的物体达到其量子基态，同时，他们一直在努力对越来越大的物体进行这种超冷却，从而研究更大规模的经典系统中的量子效应。

 被“冷却”的四面反射镜之一。| 图片来源：Matt Heintze / Caltech /MIT / LIGO Lab via The Conversation

直到近期，一组科学家首次将人类尺度上的大型物体冷却到接近其运动基态。这个“物体”不是传统意义上位于某个位置的有形的东西，而是4个独立物体的组合运动，其中每个物体重约40千克。研究中被冷却的“物体”质量相当于约10千克，包含约1 x 10²⁶个原子。实验中，它达到了相当于77纳开尔文的温度，距离预测的运动基态仅“一步之遥”。研究已于近日发表在《科学》杂志上。

而这组“物体”的名字你一定听过，它就是激光干涉引力波观测台（LIGO）。

二

众所周知，LIGO探测的是时空中微小的涟漪，也就是引力波。这些波来自遥远星系中的黑洞或者其他恒星碰撞的灾难性事件，它们在探测器中引起的运动甚至比一个质子还要小得多。因此，这要求仪器必须对振动格外敏感。

LIGO由位于美国不同地点的双干涉仪组成。每个干涉仪有两条长隧道，连接成L形，每条隧道两端都有一面重40千克的反射镜。LIGO使用激光探测引力波，激光沿着长隧道发射，在两对反射镜之间来回反弹，然后组合产生干涉图案。镜子之间距离的微小变化则显示为激光强度的波动。

 LIGO鸟瞰图（上）及仪器原理示意图（下）。| 图片来源：LIGO Laboratory

这四面反射镜的联合运动会被精确地控制，使它们不受周围的振动的干扰，甚至能够补偿激光从它们上面反射时的微小冲击。

为了将一个大型物体的原子冷却到接近基态，一个首要条件便是极其精确地测量出它们的运动，从而得到停止这种运动所需的相反的力。目前很少有仪器能够达到这样的精度，然而LIGO的这四面反射镜恰恰有此潜力。

 反射镜之一。| 图片来源：Caltech/MIT/LIGO Lab via MIT

科学家从数学上证明，四面40千克的反射镜的联合运动，相当于一个10千克物体的运动。换句话说，在这个实验中观察到的激光强度变化的模式和我们从一面10千克的镜子中看到的一样。

实验并没有测量单个分子的运动。相反，他们测量的是所有原子的平均运动（质心运动）。当测量原子和其他量子效应时，测量行为本身能够随机地反冲镜子并使其运动，这是一种被称为“测量反作用”的量子效应。

当激光的单个光子从镜子上弹起来收集有关镜子移动的信息时，光子的动量会向后推镜子。这样一来，如果对镜子连续测量，从后面光子中得到的信息就能反映出之前的光子的随机反冲。

通过每面镜子上的完整记录，研究人员就可以对镜子施加方向相反、大小相同的力，使得集体运动几乎完全停止。

最终的结果便是，虽然这四面反射镜在物理上仍然维持着室温条件，如果有人能摸到它们，也并不会感到冷，但10千克系统的平均运动实际上仅仅相当于77纳开尔文的温度。他们预测该系统的运动基态是10纳开尔文，换句话说，这一状态已经非常接近其运动基态。

三

对物理研究来说，让物体达到基态往往是第一步，这就意味着之后可以让它达到激发量子态或奇异量子态。

在极微小的尺度上，量子世界隐藏着许多奇怪的现象。然而，即使我们的宏观世界是由这些服从量子现象的微小物体构成的，但我们在更大尺度上并不能看到这些量子效应。科学家相信，这个实验是我们理解量子力学和宏观世界之间差距的重要一步。

 反射镜之一。| 图片来源：Danny Sellers / Caltech / MIT / LIGO Lab via The Conversation

此外，尽管经过了一个多世纪的探索，但目前仍然无法调和引力与量子力学。类似的实验，特别是如果能使物体更接近基态，可能会为这个谜题带来深刻的认识。

未来几年里，随着对LIGO的继续改进，科学家或许还能以更高的精度重复这个量子力学实验。这些探索可能为我们深入了解量子力学与广义相对论之间的不一致性提供新的见解。

参考来源：

https://theconversation.com/approaching-zero-super-chilled-mirrors-edge-towards-the-borders-of-gravity-and-quantum-physics-162785

https://news.mit.edu/2021/motional-ground-state-ligo-0618

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko