近日美國(guó)勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)和美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究人員檢測(cè)到據(jù)稱是目前所測(cè)量到的最小的力。結(jié)合激光和一種獨(dú)特的光學(xué)捕獲系統(tǒng)，后者能夠提供一種超冷原子云，研究人員測(cè)量到大約42幺牛頓（yoctonewton）的力，一幺牛頓相當(dāng)于10^ -24牛頓，一盎司的力大約有3 x 1023幺牛頓。

　　“我們向位于高度精密的光學(xué)共振器內(nèi)超冷原子云的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)施加了一個(gè)外力，并從光學(xué)上測(cè)量產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。”勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部門兼美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)院的物理學(xué)家丹·史丹博-庫(kù)倫（Dan Stamper-Kurn）這樣說道。“當(dāng)推動(dòng)力與原子云的振蕩頻率發(fā)生共振時(shí)，我們獲得的敏感性與理論預(yù)測(cè)相一致，大約比標(biāo)準(zhǔn)量子極限(standard quantum limit，簡(jiǎn)稱SQL)高四個(gè)因素，是目前為止可以進(jìn)行的最敏感測(cè)量。”

　　丹·史丹博-庫(kù)倫是這篇發(fā)表在期刊《科學(xué)》上的文章的聯(lián)系作者。這篇名為《光學(xué)測(cè)量接近標(biāo)準(zhǔn)量子極限的力》的文章的其它合作作者包括西德尼·施瑞普勒（Sydney Schreppler）、尼古拉斯·斯佩特曼（Nicolas Spethmann）、內(nèi)森·勃拉姆斯（Nathan Brahms）、蒂埃里·波特（Thierry Botter）和瑪麗羅斯·巴里奧斯（Maryrose Barrios）。

　　如果你想要證實(shí)引力波的存在，也就是愛因斯坦在廣義相對(duì)論中預(yù)測(cè)的時(shí)空漣漪，或者如果你想要確定牛頓所提出的宏觀層面的引力定律在微觀層面上應(yīng)用的程度，你需要檢測(cè)和測(cè)量極其小的力和運(yùn)動(dòng)。例如，在激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO），科學(xué)家們?cè)噲D記錄小至質(zhì)子直徑的1/1000的運(yùn)動(dòng)。

　　所有超級(jí)敏感的力檢測(cè)器的中央是機(jī)械振蕩器，這些系統(tǒng)將作用力轉(zhuǎn)化為可以測(cè)量到的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。隨著對(duì)力和運(yùn)動(dòng)測(cè)量的敏感性到達(dá)量子級(jí)別，它將面臨海森堡不確定原理強(qiáng)加的障礙，這一原理提出測(cè)量本身會(huì)擾亂振蕩器的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象被稱為“量子反向作用”。這種障礙被稱為標(biāo)準(zhǔn)量子極限。在過去的幾十年間，科學(xué)家們部署了一系列策略以減少量子反向作用，盡可能接近SQL，但這些技術(shù)中最好的也差SQL六到八個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　“我們測(cè)量力的敏感性是目前為止最接近的SQL，”研究首席作者、史丹博-庫(kù)倫研究小組的成員西德尼·施瑞普勒這樣說道。“我們能夠獲得這樣高的敏感性是因?yàn)槲覀兊臋C(jī)械振蕩器只由1200個(gè)原子組成。”

　　在由施瑞普勒、史丹博-庫(kù)倫和他的同事們使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)置里，機(jī)械振蕩器元素是銣原子氣體，它被光學(xué)圍困并冷卻到接近絕對(duì)零度。這種光學(xué)陷阱由兩個(gè)波長(zhǎng)分別為860和840納米的駐波光場(chǎng)組成，它們能夠?qū)υ赢a(chǎn)生數(shù)值相等但方向相反的軸向力。通過調(diào)制840納米光場(chǎng)的振幅來誘發(fā)氣體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，然后利用780納米波長(zhǎng)的探測(cè)光來測(cè)量這一運(yùn)動(dòng)。

　　“當(dāng)我們對(duì)振蕩器施加外部作用力，就像用球拍擊打鐘擺然后測(cè)量它的反應(yīng)一樣，”施瑞普勒這樣說道。“我們方法的敏感性和接近SQL的關(guān)鍵在于我們能夠從環(huán)境里分離銣原子，然后維持它的低溫。我們使用的圍困原子的激光能夠?qū)⑺鼈儚耐鈦憝h(huán)境噪音中分離出來，但同時(shí)又不會(huì)加熱這些原子，因此這些原子能夠保持寒冷同時(shí)使得我們?cè)谑┘恿r(shí)能夠接近敏感性極限。”

       施瑞普勒表示，通過結(jié)合寒冷原子以及提高的光學(xué)探測(cè)效率，他們應(yīng)該能夠更接近力敏感性的SQL。她表示還可以采用反作用規(guī)避技術(shù)，這一技術(shù)只要通過執(zhí)行非標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)。就目前為止，這項(xiàng)研究中展示的實(shí)驗(yàn)性方法提供了新的途徑，試圖監(jiān)測(cè)引力波的科學(xué)家們可以利用這種方法將探測(cè)能力的極限與預(yù)測(cè)的引力波振幅和頻率進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于那些想要確定牛頓重力理論是否可以應(yīng)用于量子世界的科學(xué)家們來說，現(xiàn)在他們擁有了一種可以測(cè)試他們理論的方法。這一實(shí)驗(yàn)里改善的力敏感性或可能為改善的原子力顯微鏡學(xué)指明道路。

　　“1980年的一篇科研文章預(yù)測(cè)SQL可能可以在五年內(nèi)達(dá)到。”施瑞普勒這樣說道。“科學(xué)家們花費(fèi)的時(shí)間比預(yù)測(cè)的晚了30多年，但我們現(xiàn)在已經(jīng)有了新的實(shí)驗(yàn)裝置，它既可以非常接近SQL，又可以表現(xiàn)出與SQL不同的不同類型的模糊噪音。”這項(xiàng)研究得到了空軍科研辦公室和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。