如果僅僅用肉眼判斷，我們會(huì)覺得靜止的物體就是*“不動(dòng)”的，似乎看不出任何運(yùn)動(dòng)。但如果給我們一個(gè)“量子透鏡”，使我們能夠看到單個(gè)原子尺度的物體，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的天地：一顆放在桌上的蘋果，看起來就會(huì)變成一堆振動(dòng)的粒子，在活躍地運(yùn)動(dòng)著。

溫度可以看作衡量我們周圍的原子和分子運(yùn)動(dòng)量和速度的一種指標(biāo)。當(dāng)物體被冷卻時(shí)，它們的分子運(yùn)動(dòng)得就更少。“零度”就是那個(gè)原子和分子*停止運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)。

然而，量子力學(xué)認(rèn)為，由于不確定性原理，*不存在運(yùn)動(dòng)是不可能的。相反，在量子力學(xué)中，零度的溫度概念對(duì)應(yīng)著一種“運(yùn)動(dòng)基態(tài)”，它也可以理解成一種物體理論上可以擁有的最小運(yùn)動(dòng)量。

在過去幾十年間，物理學(xué)家找到了不少方法，讓物體的溫度降得越來越低，使它們的原子處于幾乎靜止，也就是接近運(yùn)動(dòng)基態(tài)的狀態(tài)。為了使物體停止運(yùn)動(dòng)，一種方法就是對(duì)它施加方向相反、大小相等的力，這就好像用手接住飛行的球一樣。如果科學(xué)家能精確地測(cè)量原子運(yùn)動(dòng)的大小和方向，就可以施加反作用力使其降溫，這就是反饋冷卻技術(shù)的簡(jiǎn)單原理。

到目前為止，物理學(xué)家已經(jīng)借助各種方式應(yīng)用反饋冷卻，使得單個(gè)原子或者超輕的物體達(dá)到其量子基態(tài)，同時(shí)，他們一直在努力對(duì)越來越大的物體進(jìn)行這種超冷卻，從而研究更大規(guī)模的經(jīng)典系統(tǒng)中的量子效應(yīng)。

圖片 被“冷卻”的四面反射鏡之一。

直到近期，一組科學(xué)家將人類尺度上的大型物體冷卻到接近其運(yùn)動(dòng)基態(tài)。這個(gè)“物體”不是傳統(tǒng)意義上位于某個(gè)位置的有形的東西，而是4個(gè)獨(dú)立物體的組合運(yùn)動(dòng)，其中每個(gè)物體重約40千克。研究中被冷卻的“物體”質(zhì)量相當(dāng)于約10千克，包含約1 x 1026個(gè)原子。實(shí)驗(yàn)中，它達(dá)到了相當(dāng)于77納開爾文的溫度，距離預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)基態(tài)僅“一步之遙”。研究已于近日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

而這組“物體”的名字你一定聽過，它就是激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）。

，LIGO探測(cè)的是時(shí)空中微小的漣漪，也就是引力波。這些波來自遙遠(yuǎn)星系中的黑洞或者其他恒星碰撞的災(zāi)難性事件，它們?cè)谔綔y(cè)器中引起的運(yùn)動(dòng)甚至比一個(gè)質(zhì)子還要小得多。因此，這要求儀器必須對(duì)振動(dòng)格外敏感。

LIGO由位于美國(guó)不同地點(diǎn)的雙干涉儀組成。每個(gè)干涉儀有兩條長(zhǎng)隧道，連接成L形，每條隧道兩端都有一面重40千克的反射鏡。LIGO使用激光探測(cè)引力波，激光沿著長(zhǎng)隧道發(fā)射，在兩對(duì)反射鏡之間來回反彈，然后組合產(chǎn)生干涉圖案。鏡子之間距離的微小變化則顯示為激光強(qiáng)度的波動(dòng)。

圖片 LIGO鳥瞰圖（上）及儀器原理示意圖（下）。

這四面反射鏡的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)會(huì)被精確地控制，使它們不受周圍的振動(dòng)的干擾，甚至能夠補(bǔ)償激光從它們上面反射時(shí)的微小沖擊。

為了將一個(gè)大型物體的原子冷卻到接近基態(tài)，一個(gè)首要條件便是極其精確地測(cè)量出它們的運(yùn)動(dòng)，從而得到停止這種運(yùn)動(dòng)所需的相反的力。目前很少有儀器能夠達(dá)到這樣的精度，然而LIGO的這四面反射鏡恰恰有此潛力。

圖片 反射鏡之一。

科學(xué)家從數(shù)學(xué)上證明，四面40千克的反射鏡的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于一個(gè)10千克物體的運(yùn)動(dòng)。換句話說，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中觀察到的激光強(qiáng)度變化的模式和我們從一面10千克的鏡子中看到的一樣。

實(shí)驗(yàn)并沒有測(cè)量單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)。相反，他們測(cè)量的是所有原子的平均運(yùn)動(dòng)（質(zhì)心運(yùn)動(dòng)）。當(dāng)測(cè)量原子和其他量子效應(yīng)時(shí)，測(cè)量行為本身能夠隨機(jī)地反沖鏡子并使其運(yùn)動(dòng)，這是一種被稱為“測(cè)量反作用”的量子效應(yīng)。

當(dāng)激光的單個(gè)光子從鏡子上彈起來收集有關(guān)鏡子移動(dòng)的信息時(shí)，光子的動(dòng)量會(huì)向后推鏡子。這樣一來，如果對(duì)鏡子連續(xù)測(cè)量，從后面光子中得到的信息就能反映出之前的光子的隨機(jī)反沖。

通過每面鏡子上的完整記錄，研究人員就可以對(duì)鏡子施加方向相反、大小相同的力，使得集體運(yùn)動(dòng)幾乎*停止。

最終的結(jié)果便是，雖然這四面反射鏡在物理上仍然維持著室溫條件，如果有人能摸到它們，也并不會(huì)感到冷，但10千克系統(tǒng)的平均運(yùn)動(dòng)實(shí)際上僅僅相當(dāng)于77納開爾文的溫度。他們預(yù)測(cè)該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)基態(tài)是10納開爾文，換句話說，這一狀態(tài)已經(jīng)非常接近其運(yùn)動(dòng)基態(tài)。

對(duì)物理研究來說，讓物體達(dá)到基態(tài)往往是步，這就意味著之后可以讓它達(dá)到激發(fā)量子態(tài)或奇異量子態(tài)。

在極微小的尺度上，量子世界隱藏著許多奇怪的現(xiàn)象。然而，即使我們的宏觀世界是由這些服從量子現(xiàn)象的微小物體構(gòu)成的，但我們?cè)诟蟪叨壬喜⒉荒芸吹竭@些量子效應(yīng)。科學(xué)家相信，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是我們理解量子力學(xué)和宏觀世界之間差距的重要一步。

圖片 反射鏡之一。

此外，盡管經(jīng)過了一個(gè)多世紀(jì)的探索，但目前仍然無(wú)法調(diào)和引力與量子力學(xué)。類似的實(shí)驗(yàn)，特別是如果能使物體更接近基態(tài)，可能會(huì)為這個(gè)謎題帶來深刻的認(rèn)識(shí)。

未來幾年里，隨著對(duì)LIGO的繼續(xù)改進(jìn)，科學(xué)家或許還能以更高的精度重復(fù)這個(gè)量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)。這些探索可能為我們深入了解量子力學(xué)與廣義相對(duì)論之間的不一致性提供新的見解。