美國科學家檢測到有史以來最小的力

美國勞倫斯·伯克利國家實驗室和加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員，用一組激光器和一個獨特的光誘捕系統制造了一團超冷原子云，在其中測得相當于42幺牛頓（1幺牛頓=10-24牛頓）的力，這是有史以來測量到的最小的“力”。

愛因斯坦在“相對論”中預測引力波和時空漣漪的存在，如果想要證實這個預測，或者想確定牛頓在宏觀范疇下提出的萬有引力定律在微觀世界適用到什么程度，就需要捕捉和測量這種幾乎非常細微的力，以及它們的運動。

研究人員在高精細度的光學空腔中，對超冷原子云的質心運動施加外力，當外力與云團振蕩頻率達到共振時，取得了一種與理論預測相一致的力敏感度。

在超靈敏探測器的核心是機械振子，這是一個能將力轉化為可衡量的機械運動的系統。將外力施加到振子上時，就像用一只蝙蝠擊打一個鐘擺?！拔覀儨y到的是最接近‘標準量子極限的力。之所以能夠達到這種靈敏度，因為使用的機械振子僅由1200個原子組成?！笨贫餮芯拷M成員西尼·思瑞普勒說。

在思瑞普勒和他的同事使用的實驗裝置中，機械振子的重要成分，是一種用光學方法能夠困住銣原子并將其冷卻到接近絕對零度的氣。

困住原子的光阱包括兩個波長分別為860納米和840納米的駐波光場，可以分別對原子產生均等反向的軸向力。調制840納米波長光場振幅時，質心運動會被誘導出來，其直接反應會被一束波長為780納米的探測波測量出來。

一般來講，當力和運動的測量靈敏度達到量子水平，必然碰到一個叫做“海森堡不確定性原理”的屏障，該原理認為，測量本身會因“量子反作用”現象擾亂振子的工作狀態。這個障礙被稱為“標準量子極限”。

思瑞普勒解釋了實驗中的關鍵環節，“我們將銣原子從所處環境中解耦出來并維護其冷卻溫度，接下來，困住原子的激光光束能夠把它們與外部環境干擾隔離開來且不至于使它們變熱，這足以使我們接近力靈敏度的極限”。

到目前為止，標準量子極限是人類目前為止能夠達到的最敏感的程度。在過去幾十年間，科學家們采取了一系列對策，以盡量減少量子反作用現象的發生和影響，進而更靠近標準量子極限，但最好也不過降低了6到8個數量級。

思瑞普勒認為，如果使用更冷一些的原子團和改進的光腔探測器，借助已有的能弱化量子反作用的技術，完全可以展開進一步的探測實驗，而且很可能會取得更接近標準量子極限的力靈敏度。“一篇發表在上世紀80年代的科學論文預測，標準量子極限可以在5年內達到，現在已經花了30多年。但是，我們已經實現了一種實驗能力，可以在無限量接近標準量子極限的同時，一并展現不同類型的干擾狀態。”思瑞普勒說。

如今，這一可行方法給科學家試圖探測引力波提供了一種可行方案；對于那些希望證明牛頓定律是否適用于量子世界的人來說，現在獲得了新的檢驗方法；實驗中增強的力敏感度，也為原子力顯微鏡的改進指明了路徑。