研究人员检测到目前为止测量得最小的力

科学日报报道，近日美国劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)和美国加州大学伯克利分校的研究人员检测到据称是目前所测量到的最小的力。结合激光和一种独特的光学捕获系统，后者能够提供一种超冷原子云，研究人员测量到大约42幺牛顿（ yoctonewton）的力，一幺牛顿相当于10^ -24牛顿，一盎司的力大约有3 x 1023幺牛顿。 vOv"^X  
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“我们向位于高度精密的光学共振器内超冷原子云的质心运动施加了一个外力，并从光学上测量产生的运动。” 劳伦斯·伯克利国家实验室材料科学部门兼美国加州大学伯克利分校物理学院的物理学家丹·史丹博-库伦（Dan Stamper-Kurn）这样说道。“当推动力与原子云的振荡频率发生共振时，我们获得的敏感性与理论预测相一致，大约比标准量子极限(standard quantum limit，简称SQL)高四个因素，是目前为止可以进行的最敏感测量。” V Ds0+RC  
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丹·史丹博-库伦是这篇发表在期刊《科学》上的文章的联系作者。这篇名为《光学测量接近标准量子极限的力》的文章的其它合作作者包括西德尼·施瑞普勒（Sydney Schreppler）、尼古拉斯·斯佩特曼（Nicolas Spethmann）、内森·勃拉姆斯（Nathan Brahms）、蒂埃里·波特（Thierry Botter）和玛丽罗斯·巴里奥斯（Maryrose Barrios）。 Y*IKPnPot2  
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如果你想要证实引力波的存在，也就是爱因斯坦在广义相对论中预测的时空涟漪，或者如果你想要确定牛顿所提出的宏观层面的引力定律在微观层面上应用的程度，你需要检测和测量极其小的力和运动。例如，在激光干涉引力波天文台（LIGO），科学家们试图记录小至质子直径的1/1000的运动。 (LJ7xoJ^  
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所有超级敏感的力检测器的中央是机械振荡器，这些系统将作用力转化为可以测量到的机械运动。随着对力和运动测量的敏感性到达量子级别，它将面临海森堡不确定原理强加的障碍，这一原理提出测量本身会扰乱振荡器的运动，这个现象被称为“量子反向作用”。这种障碍被称为标准量子极限。在过去的几十年间，科学家们部署了一系列策略以减少量子反向作用，尽可能接近SQL，但这些技术中最好的也差SQL六到八个数量级。 +O^} t  
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“我们测量力的敏感性是目前为止最接近的SQL，”研究首席作者、史丹博-库伦研究小组的成员西德尼·施瑞普勒这样说道。“我们能够获得这样高的敏感性是因为我们的机械振荡器只由1200个原子组成。” Ihv@2{*(b  
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在由施瑞普勒、史丹博-库伦和他的同事们使用的实验设置里，机械振荡器元素是铷原子气体，它被光学围困并冷却到接近绝对零度。这种光学陷阱由两个波长分别为860和840纳米的驻波光场组成，它们能够对原子产生数值相等但方向相反的轴向力。通过调制840纳米光场的振幅来诱发气体的质心运动，然后利用780纳米波长的探测光来测量这一运动。 /IF?|71,m  
“当我们对振荡器施加外部作用力，就像用球拍击打钟摆然后测量它的反应一样，” 施瑞普勒这样说道。“我们方法的敏感性和接近SQL的关键在于我们能够从环境里分离铷原子，然后维持它的低温。我们使用的围困原子的激光能够将它们从外来环境噪音中分离出来，但同时又不会加热这些原子，因此这些原子能够保持寒冷同时使得我们在施加力时能够接近敏感性极限。” tH#t8Tq5x  
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施瑞普勒表示，通过结合寒冷原子以及提高的光学探测效率，他们应该能够更接近力敏感性的SQL。她表示还可以采用反作用规避技术，这一技术只要通过执行非标准的测量即可实现。就目前为止，这项研究中展示的实验性方法提供了新的途径，试图监测引力波的科学家们可以利用这种方法将探测能力的极限与预测的引力波振幅和频率进行对比。对于那些想要确定牛顿重力理论是否可以应用于量子世界的科学家们来说，现在他们拥有了一种可以测试他们理论的方法。这一实验里改善的力敏感性或可能为改善的原子力显微镜学指明道路。 j8aH*K-l{  
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“1980年的一篇科研文章预测SQL可能可以在五年内达到。” 施瑞普勒这样说道。“科学家们花费的时间比预测的晚了30多年，但我们现在已经有了新的实验装置，它既可以非常接近SQL，又可以表现出与SQL不同的不同类型的模糊噪音。”这项研究得到了空军科研办公室和国家科学基金会的支持。