科学家们测到的最小的“力”

史上最小的力量！幸运的是，研究人员来自劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校。他们用一组激光器和一个独特的光捕获系统创造了一个超冷原子云，在其中测量了相当于42牛顿(1牛顿=10-24牛顿)的力。

爱因斯坦在他的“相对论”中预言了空间和时间中引力波和涟漪的存在。如果他想证实这一预测或确定牛顿万有引力定律在微观世界的适用程度，他需要捕捉和测量这些几乎非常细微的力及其运动。

根据物理学家组织网络最近的一份报告，美国物理学家丹·斯坦博·科恩在一篇题为“光纤测量的“力”接近标准量子极限”的论文中宣布，“我们对超冷原子云的质心在高精细光腔中的运动施加外力。当外力和云团的振荡频率达到共振时，我们获得了与理论预测一致的力灵敏度。”

1200个原子的“钟摆”

超灵敏探测器的核心是机械振动器，这是一种能将力转化为可测量的机械运动的系统。当外力作用在振动器上时，就像用球棒击打钟摆一样。

“我们测量的是最接近‘标准量子极限’的力。这种灵敏度是可以实现的，因为所用的机械振动器只有1200个原子。科恩的研究小组成员和论文的第一作者悉尼·施里普勒说。

在施雷夫勒和他的同事们使用的实验装置中，机械振动器的一个重要部件是一种气体，它能以光学方式捕获铷原子，并将它们冷却到接近绝对零度。

包含原子的陷阱包括波长分别为860 nm和840 nm的两个驻波光场，这两个驻波光场分别对原子产生相等和相反的轴向力。当调制840纳米波长光场的振幅时，引起质心运动，其直接响应将由波长为780纳米的检测波测量。

一般来说，当力和运动的测量灵敏度达到量子水平时，不可避免地会遇到一个叫做海森堡测不准原理的障碍，它认为测量本身会由于“量子反应”现象而干扰振子的工作状态。这个势垒被称为“标准量子极限”

施雷夫勒解释了实验中的关键环节:“我们将铷原子从环境中分离出来，并保持它们的冷却温度。接下来，被捕获的激光束可以将它们与外部环境干扰隔离开来，而无需加热它们，这足以让我们接近力灵敏度的极限。”

科学家有信心获得更小的力量。

到目前为止，标准的量子极限是人类能够达到的最敏感的水平。在过去的几十年里，科学家们已经采取了一系列的对策来最大限度地减少量子反应现象的发生和影响，从而更接近标准的量子极限，但最好只将其降低6到8个数量级。

Schrepler认为，如果使用更冷的原子群和改进的光腔探测器，可以借助现有技术进行进一步的探测实验，从而削弱量子反应，并有可能获得更接近标准量子极限的力灵敏度。

“20世纪80年代发表的一篇科学论文预测，标准量子极限可能在5年内达到，而现在已经花了30多年。然而，我们已经实现了一种实验能力，可以显示不同类型的干涉状态，同时无限接近标准量子极限。”斯特里普勒说。

现在，这种可行的方法为科学家尝试探测引力波提供了一个可行的方案。对于那些希望证明牛顿定律是否适用于量子世界的人来说，他们现在已经获得了新的测试方法。实验中力灵敏度的提高也为原子力显微镜的改进指明了方向。