引力是否为量子力？MIT 创新实验带来新希望

IT 之家 6 月 1 日消息，在现代物理学中，引力是否为一种量子力一直是困扰科学家的重大谜题。尽管电磁力、弱核力和强核力均已通过量子理论得到了成功描述，但引力却始终游离于量子理论之外。如今，麻省理工学院（MIT）的研究人员通过一种创新的实验方法，为解开这一谜团带来了新的希望。

据 IT 之家了解，" 引力是否具有量子特性 " 这一问题一直是物理学界争论的焦点。理论物理学家提出了诸多可能性，从引力本质上是经典力到引力完全可能是量子力，但这些观点一直未能得到实验验证。麻省理工学院机械工程系的博士研究生申东哲（Dongchel Shin，音译）表示：" 我们从未找到一种明确的方法来在实验室中测试引力的量子特性，因此这一争论始终悬而未决。而解决这一问题的关键在于制备出既足够大以感受引力，又足够安静（足够量子化）的机械系统，以揭示引力与它们之间的相互作用。"

申东哲及其团队在一项最新研究中取得了重大进展。他们成功利用激光冷却技术将一个微小的机械装置 —— 扭转振荡器（Torsional Oscillator）冷却至接近绝对零度。这一成果不仅为研究引力的量子特性开辟了新的实验途径，还为未来技术的发展奠定了基础。他们的研究成果已发表于《光学》杂志，论文题为《厘米级扭转振荡器的主动激光冷却》，展示了这种冷却方法如何帮助揭示引力是否遵循量子规则。

激光冷却技术自 20 世纪 80 年代以来一直被用于冷却原子气体，近年来也被应用于控制纳米尺度的机械系统。然而，将激光冷却技术应用于扭转振荡器尚属首次。自 1798 年亨利・卡文迪什的著名实验以来，扭转振荡器在引力研究中一直扮演着重要角色，其被用于测量牛顿万有引力常数 ( G ) 、验证平方反比定律以及寻找新的引力现象。

申东哲解释说：" 历史上，扭转振荡器和激光冷却技术分别在引力物理和原子光学领域发展。在我们的工作中，我们将这两种技术相结合，尝试弥合经典世界与量子世界之间的差距。这种混合平台使我们能够开展一类全新的实验，有望最终让我们测试引力是否需要用量子理论来描述。"

在实验中，研究人员利用激光冷却技术将厘米级扭转振荡器从室温冷却至 10 毫开尔文（千分之一开尔文）。他们采用了一种带有反射镜的光学杠杆技术来实现这一目标。光学杠杆技术的原理是：将激光照射到反射镜上，反射镜的微小倾斜会导致反射光束在探测器上发生明显偏移，从而将微小的角运动放大为易于测量的信号。

然而，在实验过程中，激光束本身可能会因气流、振动或光学元件的不完美而产生抖动，这些抖动可能会被误认为是反射镜的运动，从而限制了对真实物理信号的测量。为了解决这一问题，研究团队采用了带有反射镜的光学杠杆方法，通过第二束反射镜激光来抵消这些不必要的抖动。

申东哲表示：" 一束激光与扭转振荡器相互作用，而另一束激光则反射自一个角锥反射镜，反向抵消任何抖动，但不会拾取振子的运动。当两束光在探测器上合并时，振子的真实信号得以保留，而激光抖动产生的虚假运动则被抵消。"

通过这种方法，研究人员将噪声降低了千倍，从而能够以极高的精度检测运动，精度几乎比振子自身的量子零点涨落高出 10 倍。申东哲说：" 这种灵敏度使我们能够利用激光将系统冷却至仅 10 毫开尔文。"

申东哲表示，这项工作只是一个开始。虽然他们已经实现了低于振子零点运动的量子极限精度，但达到实际的量子基态仍然是他们的下一个目标。为了实现这一目标，他们需要进一步增强光学相互作用，例如使用放大角信号的光学腔或光学捕获策略。这些改进有望为实验打开大门，使两个这样的振子仅通过引力相互作用，从而直接测试引力是否为量子力。

申东哲通过这项研究深刻体会到，实验性地研究引力的量子特性不仅需要对物理学（相对论、量子力学）的深入理解，还需要在系统设计、纳米制造、光学、控制和电子学等领域具备实践经验。他指出：" 机械工程背景使我能够跨越这些不同的领域，并从理论和实践两个方面对物理系统进行研究，从而为解决这一挑战做出有意义的贡献。"

未来，随着技术的进一步发展，我们有望揭开引力的神秘面纱。