一个40公斤的镜子被量子力学“踢”了;,科学家首次发现了宏观物体的量子波动-Nature-量子比特
量子力学似乎与我们的日常生活相去甚远
偶尔也会作为iq税使用(量子波速读等)
因为微观世界受量子力学支配,宏观世界遵循经典力学规律。
就在最近,微观世界和宏观世界之间的次元壁垒崩溃了。
MIT重40公斤的镜子,因为被量子力学“踢”而移位。
即使和原子相比,原子的大小和人相比(只错开了10^(-20)m),无疑是物理学的一大步。
这个位移表明,室温下量子摆动对宏观物体的影响是可以测量的。
这项研究接着被刊登在《Nature》杂志上,网友们对这一成果表示感激。因为它表明量子力学支配着宏观物体。虽然极其微弱,但我们已经探测到了。
网友们之所以如此惊讶,是因为他们认识到很难测量量子摆动对宏观物体的影响。
这是基于量子力学的基本原理
不确定性原理
量子理论的创始人之一海森堡提出了著名的“不确定性原理”。
Δx pΔ≥/ 2
Δx代表物体位置偏差Δp围绕代表物体×速度)的偏差不小于两者的积/2。
任何物体不可能完全停止,一直处于休克状态,否则物体的位移和速度为零ΔxΔp =。
但是,太小了(1.05×10-34Js),在日常生活中没有注意到它的存在。
但事实证明,量子波动会影响较大的物体,足以使40kg的大镜子移动10^(20)m。
科学家们是如何测量这个小位移的
必须接触到LIGO的优秀技术。
探测宇宙深处的重力波
激光干涉仪重力波天文台(LIGO)是用于检测重力波的大规模物理实验和天文学观测台,由美国国家科学基金会提供资金,由加州理工学院和麻省理工学院共同管理运营。
2015年,LIGO两个黑洞合体检测到重力波信号,人类首次直接检测到重力波。
主要设备有两个激光干涉仪:美国利文斯通州和华盛顿州汉福德。具体来说,LIGO干涉仪上有2根长4公里的真空管,每一端悬挂着40公里的镜子。
激光束通过镜子被分为两个光束,沿着双臂同时射出,用镜子反射。反射的光再次相遇会产生干涉现象。
在这个过程中,如果重力波干扰,干扰臂的长度会受到影响,激光干扰的结果是光的强度会发生变化。
重力波是指时空的涟漪,使空间稍微扭曲,是非常弱的东西。
以人类首次发现的重力波为例。据说此时的重力波只改变了北京~上海之间1个原子核的距离。
爱因斯坦预测100年后会发现重力波的理由。自从科学家们制造了“LIGO”之后,重力波的发现才变得可能。
重力波引起的振动,无论多么小的振动都会被消除。科学家们用一切手段来减少外界的干扰
问题是,真空中有量子摆动现象,这就是“压碎”镜子会导致镜子的位置偏移,产生背景噪声。
如果你试图检测宇宙中更深、更弱的重力波信号,由于量子噪声与重力波信号之间的信噪比太低,重力波关键符就会被量子噪声淹没。
量子噪声能具体测量吗
研究小组为了调整“LIGO”干涉仪内量子噪声的特性,提高“LIGO”的重力波检测灵敏度,设计搭载了一种称为量子挤压器的装置。
量子压缩的一般思路是将量子噪声表达为沿相位和振幅两轴的不确定性范围。
如果将该球体像应力球一样按压并沿着振幅轴收缩,实际上振幅状态的不确定性会缩小(压缩),相位状态的不确定性会增加(膨胀)
相位不确定性是LIGO噪声的主要原因,因此压缩相位可以提高LIGO的s/n比。
首先,他们从LIGO干扰内的噪声的合计测量了。量子噪声和经典噪声。所谓古典噪音,是由于热能等的日常的振动的干涉。
打开挤压器改变量子噪声的特性
数据显示,在扣除经典噪声后,激光束相位与反射镜位置的不确定性组合将形成标准量子极限(SQL)以下的量子噪声。光是量子噪音就把镜子移动了10^(20)米
也就是说,观测到了宏观物体的量子波动。那是室温下的事!
论文作者之一,MIT物理学教授Nergis Mavala解释:
不仅如此,LIGO的检测精度也提高了,可以检测出宇宙深处微弱的重力波。
多亏了这项研究,现在检测到重力波的频率从1个月提高到了1周。
对于这样的突破,网友们也很兴奋。
也有痴迷的网友。
一位网友开始认真地问,重力波探测器的内部结构是否与克什米尔效应有关。
更有网友大胆预测未来科学发展。
是华人的作品
论文第一作者来自中国女博士Haocun Yu,哈尔滨,就读于哈尔滨三中。
2015年毕业于英国帝国学院系后,出于对重力波检测的兴趣,他进入了“麻省理工学院”物理学博士课程,于2020年毕业。
现在从事MIT重力波检测和LIGO干涉仪的压缩和量子相关性的研究。
论文的另一位通讯作者是[MIT]Kavli天体物理学和空间研究所的研究科学家McCuller Lee,研究领域是电波天文学和[LIGO]相关项目的研究。
引用:
https://www.Nature。com/articles/d41586-020-01914-4。
https://www.LIGO。caltech.edu/MIT/news/LIGO202007001 utm_source=join1440#038。utm_medium=email#038。utm_placement=itkst
https://www.Nature。com/articles/d41586-020-01914-4。
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/12/191205113141.htm