麻省理工学院研究人员通过激光冷却技术有望揭示引力的量子特性

在现代物理学的探讨中，引力的量子特性一直是科学家们无法解开的难题。虽然电磁力、弱核力和强核力通过量子理论得到了合理的解释，但引力却依然处于一种模糊状态，难以与量子力学相结合。麻省理工学院（MIT）的研究团队最近在这方面取得了开创性的进展，为解析这一复杂问题提供了新的实验路径。

研究小组的博士生申东哲（Dongchel Shin）指出，尽管理论物理学家们对“引力是否具有量子特性”展开了广泛讨论，但缺乏实验验证的这一领域仍然对科学家构成挑战。此前，科学家们无法确认引力是否是一种经典力，还是可能具备量子特性，直到现在这一问题才开始迎来新的曙光。

申东哲和他的团队在最新研究中成功应用了激光冷却技术，显著降低了一个扭转振荡器的温度至接近绝对零度。这项技术的运用不仅有望揭示引力与量子力学关系的潜在线索，还为未来技术的演变奠定了基础。相关的研究成果已发表在《光学》杂志上，标题为《厘米级扭转振荡器的主动激光冷却》，文章详细探讨了这一新颖冷却方法。

激光冷却技术自20世纪80年代被引入以来，已在多个领域取得了成果，尤其是在冷却原子气体与控制纳米尺度机械系统方面。不过，这项技术首次被应用于扭转振荡器的实验仍是一个突破。自卡文迪什在1798年成功进行引力实验以来，扭转振荡器便成为引力研究的重要工具，用于测量牛顿万有引力常数（G）、验证平方反比定律及寻找新型引力现象等。

申东哲详细解释道：“扭转振荡器与激光冷却技术分别在引力物理和原子光学领域有着独立的发展。通过把两者结合，我们可以缩小经典物理学与量子物理学之间的鸿沟。这种集成技术使我们能够设计前所未有的实验，旨在测试引力是否需要通过量子理论加以解释。”

在实验中，研究团队将该扭转振荡器的温度从室温冷却至10毫开尔文。为了实现这一目标，他们采用了一种带有反射镜的光学杠杆技术，光学杠杆的原理是将激光照射到反射镜上，使微小的倾斜导致反射光束在探测器上发生明显的偏移，从而将微小的角运动放大为可测的信号。

在实验中，光束本身可能受到气流、振动等因素的影响，因而产生随机抖动，可能导致实验数据的误导。研究团队采用了反射镜的光学杠杆配置，通过第二束激光的引导来抵消这些多余的抖动，确保能够准确解析振荡器的真实运动信号。

申东哲提到：“我们通过一种精妙的实验设计，利用一束激光与振荡器互动，而另一束激光则通过角锥反射镜反向作用，以抵消激光不必要的抖动。这两束光在探测器交汇时，振荡器的真实信号清晰而激光抖动带来的虚假运动则消失无踪。”

该项目的成果将噪声降低了千倍，使得研究团队能够以极高的精度检测到运动，达到近乎振荡器自身量子零点涨落的十倍精确度。申东哲强调，这项工作只是新阶段的开始，尽管已经实现了低于振子零点运动的量子极限精度，他们的下一个目标是达到实际的量子基态。为了实现这一目标，他们计划进一步增强光学相互作用，借助光学腔或光学捕获技术来进行实验改进。

随着这些技术的不断进步，科研团队相信，他们可以实现两个扭转振荡器通过引力直接相互作用，从而探测引力是否为量子力。申东哲意识到，要成功研究引力的量子特性，不仅需要在理论物理（包括相对论和量子力学）方面的深入理解，也需要具备系统设计、纳米技术、光学与电子学等领域的跨学科经验。他表示：“我在机械工程的学习与研究，使我可以在多个领域交叉融合，深化对物理系统的理解，并为解决这一挑战贡献力量。”

展望未来，科研团队希望技术的进展能够帮助揭示出引力的本质，最终将量子力学与引力理论结合起来，推动物理学向前发展，填补这一领域的空白。