摘要：在经典物理学的一个戏剧性转折中，科学家们用激光将一面镜子冷却到接近绝对零度，以观察重力是否是量子。这一突破可能会重塑我们对宇宙的理解。来源:SciTechDaily.com

在经典物理学的一个戏剧性转折中，科学家们用激光将一面镜子冷却到接近绝对零度，以观察重力是否是量子。这一突破可能会重塑我们对宇宙的理解。来源:SciTechDaily.com

麻省理工学院 研究人员发现了一种大胆的新方法来研究科学界最大的谜团之一：引力真的是量子力吗？

通过将微小的镜子冷却到接近 绝对零度 使用激光——一种传统上用于原子物理的方法——他们打开了一扇新的实验窗口，进入量子力学和引力的交汇处。这种前沿冷却和经典工具的融合可能最终让科学家观察引力是否像其他量子力一样，这是一个困扰物理学家数十年的问题。

现代物理学中最深刻的开放性问题之一是:“重力是量子吗？”

虽然其他基本力——电磁力、弱核力和强核力——已经被量子理论成功描述，但引力仍然是不同的。到目前为止，科学家们尚未能创建一个一致的引力量子理论，这在我们对宇宙的理解中留下了重大的空白。

麻省理工学院机械工程系博士生Dongchel Shin说:“理论物理学家提出了许多可能的情景，从引力本质上是经典的到完全是量子的，但争论仍未解决，因为我们从未有明确的方法在实验室中测试引力的量子性质。解决这个问题的关键在于准备足够大的机械系统来感受引力，但足够安静——足够量子——以揭示引力如何与它们相互作用。”

申东哲（Dongchel Shin）是机械工程专业博士生，也是新论文的第一作者，该论文展示了厘米长的扭转振荡器的激光冷却。他正在研究光学装置。图片来源：Tony Pulsone/MechE

Shin 也是 MathWorks 研究员，他致力于探索物理学前沿的实验平台，同时为未来的技术奠定基础。在最近的一项研究中，他和他的团队向前迈出了重要一步，成功地利用激光冷却了一个叫做扭转振荡器的微型机械装置。他们的开放获取论文“厘米级扭转振荡器的主动激光冷却”，发表于 光学 ，展示了这种方法如何帮助揭示引力是否遵循量子规则。

自20世纪80年代以来，物理学家们已经使用激光来冷却原子气体，最近还用于控制 纳米 机械系统的运动。但这是第一次有人将激光冷却应用于扭转振荡器，扭转振荡器在旨在揭示引力的真正本质的实验中发挥着核心作用。

“自从亨利·卡文迪什1798年著名的实验以来，扭转摆一直是重力研究的经典工具。它们被用来测量牛顿的重力常数G，测试反平方定律，并寻找新的重力现象，”申解释道。

东切尔·申在麻省理工学院量子和精密测量小组实验室中工作。来源:托尼·帕斯通/MechE

通过使用激光去除原子中几乎所有的热运动，近几十年来，科学家们在微克尔和纳克尔温度下创造了超冷原子气体。这些系统现在为世界上最精确的时钟——光学格子时钟——提供动力，其计时精度如此之高，以至于它们在宇宙的年龄中增减不到一秒。

“从历史上看，这两种技术是分开发展的——一种在引力物理学中，另一种在原子和光学物理学中，”申说。“在我们的工作中，我们将它们结合在一起。通过将最初为原子开发的激光冷却技术应用于厘米级的扭转振荡器，我们试图跨越经典和量子世界。这个混合平台实现了一类新的实验——这些实验最终可以让我们测试重力是否需要用量子理论来描述。”

来自麻省理工学院量子和精密测量小组实验室的光学装置。来源:Tony Pulsone/MechE

这篇新论文展示了使用镜面光学杠杆将厘米级扭转振荡器从室温冷却到10毫开尔文（开尔文数的1/1,000）的新方法。

“光学杠杆是一种简单但强大的测量技术:你将激光照射到镜子上，即使是镜子的微小倾斜也会导致反射光束在探测器上显著移动。这将小角度运动放大成容易测量的信号，”Shin解释道，并指出尽管前提很简单，团队在实践中面临挑战。“由于气流、振动或光学缺陷，激光束本身可能会稍微抖动。这些抖动可能会假装成镜子的运动，限制我们测量真实物理信号的能力。”

为了克服这个问题，该团队使用了镜像光学杠杆方法，该方法使用第二个镜像版本的激光束来消除不需要的抖动。

“一束光束与扭转振荡器相互作用，另一束光束从角立方镜反射，反转任何抖动而不影响振荡器的运动，”真说。“当两束光束在探测器上结合时，振荡器的真实信号被保留，激光抖动的虚假运动被取消。”

机械工程博士候选人Shin Dongchel是证明厘米长的扭转振荡器激光冷却的新论文的主要作者。图片来源：Tony Pulsone/MechE

这种方法将噪声降低了一千倍，使研究人员能够极其精确地检测运动，比振荡器自身的量子零点波动快近10倍。“这种灵敏度使我们能够利用激光将系统冷却到仅10毫克尔文，”真说。

真说这项工作只是一个开始。“虽然我们已经在振荡器的零点运动下实现了量子限制精度，但达到实际的量子基态仍然是我们的下一个目标，”他说。“要做到这一点，我们需要进一步加强光学相互作用——使用放大角信号的光腔或光学俘获策略。这些改进可能为两个这样的振荡器仅通过重力相互作用的实验打开大门，使我们能够直接测试重力是否是量子态。”

该论文的其他作者来自机械工程学系，包括机械工程助理教授和1957届职业发展教授Vivishek Sudhir，以及博士生Dylan Fife。其他作者是犹他大学电气和计算机工程系的蒂娜·海沃德和拉杰什·梅农。Shin和Fife都是Sudhir实验室的成员 ， 量子和精密测量组 。 .

真说，通过这项工作，他逐渐认识到团队正在应对的挑战的广度。“通过实验研究重力的量子方面不仅需要对物理学——相对论、量子力学——有深刻的理解，还需要在系统设计、纳米制造、光学、控制和电子学方面的实践经验，”他说。

“机械工程的背景涵盖了物理系统的理论和实际方面，这给了我在这些不同领域中导航和有意义贡献的正确视角，”申说。“看到这种广泛的培训如何帮助解决科学中最基本的问题之一，这非常有意义。”

参考：“厘米级扭转振荡器的主动激光冷却”由Dong-Chel Shin、Rajesh Menon、Vivishek Sudhir、Dylan Fife和Tina M. Hayward，2025年4月19日， 光学 。

来源：人工智能学家