研究人員檢測(cè)到目前為止測(cè)量得最小的力
來(lái)源:站長(zhǎng)新聞AiWeTalk的空間 2014-07-01
北京時(shí)間7月1日消息，科學(xué)日?qǐng)?bào)報(bào)道，近日美國(guó)勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)和美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究人員檢測(cè)到據(jù)稱(chēng)是目前所測(cè)量到的最小的力。結(jié)合激光和一種獨(dú)特的光學(xué)捕獲系統(tǒng)，后者能夠提供一種超冷原子云，研究人員測(cè)量到大約42幺牛頓（ yoctonewton）的力，一幺牛頓相當(dāng)于10^ -24牛頓，一盎司的力大約有3 x 1023幺牛頓。
丹·史丹博-庫(kù)倫是這篇發(fā)表在期刊《科學(xué)》上的文章的聯(lián)系作者。這篇名為《光學(xué)測(cè)量接近標(biāo)準(zhǔn)量子極限的力》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）、內(nèi)森·勃拉姆斯（Nathan Brahms）、蒂埃里·波特（Thierry
Botter）和瑪麗羅斯·巴里奧斯（Maryrose Barrios）。
如果你想要證實(shí)引力波的存在，也就是愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中預(yù)測(cè)的時(shí)空漣漪，或者如果你想要確定牛頓所提出的宏觀(guān)層面的引力定律在微觀(guān)層面上應(yīng)用的程度，你需要檢測(cè)和測(cè)量極其小的力和運(yùn)動(dòng)。例如，在激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO），科學(xué)家們?cè)噲D記錄小至質(zhì)子直徑的1/1000的運(yùn)動(dòng)。
所有超級(jí)敏感的力檢測(cè)器的中央是機(jī)械振蕩器，這些系統(tǒng)將作用力轉(zhuǎn)化為可以測(cè)量到的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。隨著對(duì)力和運(yùn)動(dòng)測(cè)量的敏感性到達(dá)量子級(jí)別，它將面臨海森堡不確定原理強(qiáng)加的障礙，這一原理提出測(cè)量本身會(huì)擾亂振蕩器的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)為“量子反向作用”。這種障礙被稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)量子極限。在過(guò)去的幾十年間，科學(xué)家們部署了一系列策略以減少量子反向作用，盡可能接近SQL，但這些技術(shù)中最好的也差SQL六到八個(gè)數(shù)量級(jí)。
“我們測(cè)量力的敏感性是目前為止最接近的SQL，”研究首席作者、史丹博-庫(kù)倫研究小組的成員西德尼·施瑞普勒這樣說(shuō)道。“我們能夠獲得這樣高的敏感性是因?yàn)槲覀兊臋C(jī)械振蕩器只由1200個(gè)原子組成�！�
在由施瑞普勒、史丹博-庫(kù)倫和他的同事們使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)置里，機(jī)械振蕩器元素是銣原子氣體，它被光學(xué)圍困并冷卻到接近絕對(duì)零度。這種光學(xué)陷阱由兩個(gè)波長(zhǎng)分別為860和840納米的駐波光場(chǎng)組成，它們能夠?qū)υ赢a(chǎn)生數(shù)值相等但方向相反的軸向力。通過(guò)調(diào)制840納米光場(chǎng)的振幅來(lái)誘發(fā)氣體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，然后利用780納米波長(zhǎng)的探測(cè)光來(lái)測(cè)量這一運(yùn)動(dòng)。
“當(dāng)我們對(duì)振蕩器施加外部作用力，就像用球拍擊打鐘擺然后測(cè)量它的反應(yīng)一樣，”
施瑞普勒這樣說(shuō)道�！拔覀兎椒ǖ拿舾行院徒咏黃QL的關(guān)鍵在于我們能夠從環(huán)境里分離銣原子，然后維持它的低溫。我們使用的圍困原子的激光能夠?qū)⑺鼈儚耐鈦?lái)環(huán)境噪音中分離出來(lái)，但同時(shí)又不會(huì)加熱這些原子，因此這些原子能夠保持寒冷同時(shí)使得我們?cè)谑┘恿r(shí)能夠接近敏感性極限。”
施瑞普勒表示，通過(guò)結(jié)合寒冷原子以及提高的光學(xué)探測(cè)效率，他們應(yīng)該能夠更接近力敏感性的SQL。她表示還可以采用反作用規(guī)避技術(shù)，這一技術(shù)只要通過(guò)執(zhí)行非標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)。就目前為止，這項(xiàng)研究中展示的實(shí)驗(yàn)性方法提供了新的途徑，試圖監(jiān)測(cè)引力波的科學(xué)家們可以利用這種方法將探測(cè)能力的極限與預(yù)測(cè)的引力波振幅和頻率進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于那些想要確定牛頓重力理論是否可以應(yīng)用于量子世界的科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在他們擁有了一種可以測(cè)試他們理論的方法。這一實(shí)驗(yàn)里改善的力敏感性或可能為改善的原子力顯微鏡學(xué)指明道路。
“1980年的一篇科研文章預(yù)測(cè)SQL可能可以在五年內(nèi)達(dá)到�！�
施瑞普勒這樣說(shuō)道�！翱茖W(xué)家們花費(fèi)的時(shí)間比預(yù)測(cè)的晚了30多年，但我們現(xiàn)在已經(jīng)有了新的實(shí)驗(yàn)裝置，它既可以非常接近SQL，又可以表現(xiàn)出與SQL不同的不同類(lèi)型的模糊噪音�！边@項(xiàng)研究得到了空軍科研辦公室和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。
文章編輯: AiWeTalk網(wǎng)頁(yè)客服(www.zhangxiannews.cn)
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