近日美國勞倫(lun) 斯·伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)和美國加州大學伯克利分校的研究人員檢測到據稱是目前所測量到的最小的力。結合激光和一種獨特的光學捕獲係統，後者能夠提供一種超冷原子雲(yun) ，研究人員測量到大約42幺牛頓（yoctonewton）的力，一幺牛頓相當於(yu) 10^ -24牛頓，一盎司的力大約有3 x 1023幺牛頓。

　　“我們(men) 向位於(yu) 高度精密的光學共振器內(nei) 超冷原子雲(yun) 的質心運動施加了一個(ge) 外力，並從(cong) 光學上測量產(chan) 生的運動。”勞倫(lun) 斯·伯克利國家實驗室材料科學部門兼美國加州大學伯克利分校物理學院的物理學家丹·史丹博-庫倫(lun) （Dan Stamper-Kurn）這樣說道。“當推動力與(yu) 原子雲(yun) 的振蕩頻率發生共振時，我們(men) 獲得的敏感性與(yu) 理論預測相一致，大約比標準量子極限(standard quantum limit，簡稱SQL)高四個(ge) 因素，是目前為(wei) 止可以進行的最敏感測量。”

　　丹·史丹博-庫倫(lun) 是這篇發表在期刊《科學》上的文章的聯係作者。這篇名為(wei) 《光學測量接近標準量子極限的力》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(nei) 森·勃拉姆斯（Nathan Brahms）、蒂埃裏·波特（Thierry Botter）和瑪麗(li) 羅斯·巴裏奧斯（Maryrose Barrioses）。

　　如果你想要證實引力波的存在，也就是愛因斯坦在廣義(yi) 相對論中預測的時空漣漪，或者如果你想要確定牛頓所提出的宏觀層麵的引力定律在微觀層麵上應用的程度，你需要檢測和測量極其小的力和運動。例如，在激光幹涉引力波天文台（LIGO），科學家們(men) 試圖記錄小至質子直徑的1/1000的運動。

　　所有超級敏感的力檢測器的中央是機械振蕩器，這些係統將作用力轉化為(wei) 可以測量到的機械運動。隨著對力和運動測量的敏感性到達量子級別，它將麵臨(lin) 海森堡不確定原理強加的障礙，這一原理提出測量本身會(hui) 擾亂(luan) 振蕩器的運動，這個(ge) 現象被稱為(wei) “量子反向作用”。這種障礙被稱為(wei) 標準量子極限。在過去的幾十年間，科學家們(men) 部署了一係列策略以減少量子反向作用，盡可能接近SQL，但這些技術中最好的也差SQL六到八個(ge) 數量級。

　　“我們(men) 測量力的敏感性是目前為(wei) 止最接近的SQL，”研究首席作者、史丹博-庫倫(lun) 研究小組的成員西德尼·施瑞普勒這樣說道。“我們(men) 能夠獲得這樣高的敏感性是因為(wei) 我們(men) 的機械振蕩器隻由1200個(ge) 原子組成。”

　　在由施瑞普勒、史丹博-庫倫(lun) 和他的同事們(men) 使用的實驗設置裏，機械振蕩器元素是銣原子氣體(ti) ，它被光學圍困並冷卻到接近絕對零度。這種光學陷阱由兩(liang) 個(ge) 波長分別為(wei) 860和840納米的駐波光場組成，它們(men) 能夠對原子產(chan) 生數值相等但方向相反的軸向力。通過調製840納米光場的振幅來誘發氣體(ti) 的質心運動，然後利用780納米波長的探測光來測量這一運動。

　　“當我們(men) 對振蕩器施加外部作用力，就像用球拍擊打鍾擺然後測量它的反應一樣，”施瑞普勒這樣說道。“我們(men) 方法的敏感性和接近SQL的關(guan) 鍵在於(yu) 我們(men) 能夠從(cong) 環境裏分離銣原子，然後維持它的低溫。我們(men) 使用的圍困原子的激光能夠將它們(men) 從(cong) 外來環境噪音中分離出來，但同時又不會(hui) 加熱這些原子，因此這些原子能夠保持寒冷同時使得我們(men) 在施加力時能夠接近敏感性極限。”

       施瑞普勒表示，通過結合寒冷原子以及提高的光學探測效率，他們(men) 應該能夠更接近力敏感性的SQL。她表示還可以采用反作用規避技術，這一技術隻要通過執行非標準的測量即可實現。就目前為(wei) 止，這項研究中展示的實驗性方法提供了新的途徑，試圖監測引力波的科學家們(men) 可以利用這種方法將探測能力的極限與(yu) 預測的引力波振幅和頻率進行對比。對於(yu) 那些想要確定牛頓重力理論是否可以應用於(yu) 量子世界的科學家們(men) 來說，現在他們(men) 擁有了一種可以測試他們(men) 理論的方法。這一實驗裏改善的力敏感性或可能為(wei) 改善的原子力顯微鏡學指明道路。

　　“1980年的一篇科研文章預測SQL可能可以在五年內(nei) 達到。”施瑞普勒這樣說道。“科學家們(men) 花費的時間比預測的晚了30多年，但我們(men) 現在已經有了新的實驗裝置，它既可以非常接近SQL，又可以表現出與(yu) SQL不同的不同類型的模糊噪音。”這項研究得到了空軍(jun) 科研辦公室和國家科學基金會(hui) 的支持。