引力具有量子性吗？激光冷却技术使扭转振荡器更接近答案

以下内容来自phy.org，论文原文DOI: 10.1364/OPTICA.548098

现代物理学最深刻的未解之谜之一是：“引力是否具有量子性？”其他基本力——电磁力、弱力和强力都已被成功描述，但目前尚未建立完整且自洽的量子引力理论。

“理论物理学家提出了许多可能性，从引力本质上是经典的到完全量子的各种假说，但由于我们从未在实验室中找到明确验证引力量子性质的方法，争论始终悬而未决。”麻省理工学院机械工程系博士生Dongchel Shin解释道，“解决这个问题的关键在于制备质量足够大能感知引力、同时又足够‘安静’（具有量子特性）的机械系统，以揭示引力如何与它们相互作用。”

作为MathWorks研究员，Shin从事量子与精密计量平台研究，这些平台既能探索基础物理，又为未来工业技术铺路。他是一篇新论文的第一作者，该论文展示了厘米级扭转振荡器的激光冷却技术。这篇论文“Active laser cooling of a centimeter-scale torsional oscillator”（厘米级扭转振荡器的主动激光冷却）在近期发表于《Optica》期刊。

自1980年代以来，激光被常规用于冷却原子气体；约2010年起，该技术被应用于纳米级机械振荡器的线性运动控制。新论文首次将该技术拓展至扭转振荡器领域，这类系统对全球范围内利用机械系统研究引力的努力至关重要。

“自1798年卡文迪许著名实验以来，扭摆一直是引力研究的经典工具，被用于测量牛顿引力常数G、检验平方反比定律以及寻找新的引力现象。”Shin指出。通过利用激光消除原子几乎所有的热运动，近几十年来科学家已能制备微开尔文至纳开尔文温区的超冷原子气体。这些系统如今驱动着世界上最精确的时钟——光晶格钟，其计时精度之高使得在宇宙年龄时间尺度内误差不足一秒。

“历史上，这两项技术独立发展——一项属于引力物理，另一项属于原子与光学物理，”Shin说，“我们的工作将二者结合。通过将最初为原子开发的激光冷却技术应用于厘米级扭转振荡器，我们试图架起经典世界与量子世界的桥梁。这种混合平台催生了一类新实验，可能最终让我们检验引力是否需要用量子理论来描述。”

新论文演示了利用镜面光学杠杆将厘米级扭转振荡器从室温冷却至10毫开尔文（1/1000开尔文）的过程。“光学杠杆是简单而强大的测量技术：将激光照射到镜面，即使镜面微小倾斜也会导致反射光束在探测器上产生明显位移。这能将微小角运动放大为易测量的信号。”Shin解释道，同时指出虽然原理简单，但团队在实践中面临挑战。

“激光束本身可能因气流、振动或光学元件缺陷而产生轻微抖动。这些抖动可能被误认为镜面运动，限制了我们测量真实物理信号的能力。”为解决这个问题，团队采用镜面光学杠杆法，利用第二束镜像激光抵消不需要的抖动。“一束光与扭转振荡器相互作用，另一束经角锥棱镜反射，在保留振荡器运动信号的同时消除激光抖动。当两束光在探测器处结合时，来自振荡器的真实信号得以保留，而激光抖动的虚假运动被抵消。”

该方法将噪声降低至千分之一，使研究人员能以极高精度（接近振荡器自身量子零点涨落的十倍）检测运动。“这种灵敏度水平使我们能够利用激光将系统冷却至仅10毫开尔文。”Shin表示。

Shin指出这项工作只是开始。“虽然我们已在振荡器零点运动以下实现量子极限精度，但达到实际的量子基态仍是下一个目标。为此，我们需要进一步增强光学相互作用——采用能放大角度信号的光学腔，或光学囚禁策略。这些改进可能为两个此类振荡器仅通过引力相互作用的实验打开大门，从而直接验证引力是否具有量子性。”

论文其他作者包括机械工程系助理教授、1957届职业发展教授Vivishek Sudhir，博士生Dylan Fife，以及犹他大学电气与计算机工程系的Tina Heyward和Rajesh Menon。Shin和Fife均为Sudhir实验室量子与精密测量组成员。

Shin表示通过这项工作，他深刻认识到团队所应对挑战的广度。“实验研究引力的量子特性不仅需要理解物理学的深层知识——相对论、量子力学——还需要系统设计、纳米加工、光学、控制和电子学方面的实践专长。拥有机械工程背景使我能够跨越这些不同领域，从理论和实践两个角度理解物理系统，这对在各个领域做出实质性贡献至关重要。”Shin说，“看到这种广泛训练能帮助解决科学中最基本的问题之一，这令人无比欣慰。”

参考链接

[1]https://phys.org/news/2025-05-gravity-quantum-laser-cooling-torsional.html

[2]https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-12-4-473&id=569884