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美国科学家找到观测宏观量子运动的方法

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发表于 2015-9-20 15:04:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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       据英国每日邮报2015年8月31日报道,宇宙大爆炸在四维时空里的留下的涟漪可以揭示宇宙在140亿年前是如何产生的,然而这些名为“引力波”的涟漪却一直很难被捕捉到。现在,美国科学家宣称他们找到了一种可以用于改善引力波探测器的方法。
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宇宙大爆炸在时空中残留的引力波涟漪


       美国加州理工学院的研究人员说他们发现了一种观察和控制一块比较大的物体的“量子运动”的方法。如果一个老式挂钟的发条没有被上紧,钟摆就会逐渐停止摆动,最终处于静止状态,但这种现象只发生在宏观尺度上。在原子尺度上,主导物质和光行为的是量子力学,在这个层级上物质不可能处于完全静止状态。“在过去几年里,我的研究小组和世界上其他几个科研小组掌握了如何将微米级别物体的运动冷却到最低能量状态,即所谓的量子基态。”加州理工学院应用物理学教授Keith Schwab在介绍他们的工作时这样讲到。

       “但是我们知道,即使在量子基态,在零度温度下,仍有微小的扰动(或者噪声)存在。” 理论上来说,量子运动(或者噪声)是所有物体运动的内禀成分,因而无法被用于引力波测量的敏感探测器探测到。Schwab和他的同事设计了一种设备,这种设备使他们可以观察到这个噪声并对其实施操控。

       这个微米级别的设备是一个放置在硅表面上的活动铝片,这个铝片与一个每秒震动350万次的超导电路相连。根据经典力学定律,如果被冷却到基态,这个由铝片和弹簧组成的振动结构最终将达到完全静止状态。但是当Schwab和他的同事在实验里将弹簧冷却到基态时,他们所观察到的结果却并非如此:他们发现残余的能量(量子噪音)仍然存在。

                               
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宏观钟摆的运动


       “这个能量是对自然界所做的量子描述的一部分,你根本无法把它拿掉。” Schwab说道,“我们都知道量子力学精确地解释了电子的行为为何如此怪异。在这里,我们将量子力学应用到比较大的东西上,也就是一个你可以在光学显微镜下看到的设备上,然后我们可以观察到数万亿个原子里的量子效应,而不是一个原子的量子效应。”

      然后,研究人员发明了一种方法用于操控内在的量子噪声,并发现可以周期性地将其减小。“描述噪声或者运动有两个主要的变量,” Schwab解释道。“我们的研究显示我们可以将其中一个变量的波动变得更小——代价是让另一个变量的量子波动变得更大。这就是所谓的量子压缩态,我们在一个地方压缩噪声,但是这种压缩导致噪声在其它地方又冒出来。但只要这些噪声冒出来的地方不是你需要进行测量的地方,那就无所谓。”

                               
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用于探测宏观量子效应的实验装置


       控制量子噪声的能力将来可以被用于提高非常敏感的测量工具的精确度,例如用在LIGO(Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory, 激光干涉仪重力波观测站)进行的测量上。由加州理工学院和麻省理工学院合作的研究项目用LIGO搜寻引力波信号——时空中的涟漪。

      “我们一直想用这些方法检测脉冲星发出的引力波。脉冲星是密度很高的星体,它的质量与太阳相当,但却被压缩成半径只有10千米的星体,每秒可以旋转10至100次。在1970年代,加州理工学院的物理学家Kip Thorne等人在发表的文章中称这些脉冲星应该以接近完美的周期形式发射引力波,” Schwab说道。“所以我们一直在琢磨如何将这些这些方法应用在以克为单位的小型物体上,以减少探测器自身的量子噪声,从而提高接收引力波的敏感度。”

       为了实现这一点,目前的设备必须被放大。“我们工作的目的是检测越来越大尺度上的量子力学效应,有朝一日,我们希望可以将尺度放大到可以检测引力波的地步。”

       这项研究成果以“Quantum squeezing of motion in a mechanical resonator(力学振子运动的量子压缩)” 为题发表在期刊《科学》上。

(本站转译自每日邮报)

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