接近绝对零度：让原子和分子完全停止运动的点

如果仅仅用肉眼判断，我们会觉得静止的物体就是完全“不动”的，似乎看不出任何运动。但如果给我们一个“量子透镜”，使我们能够看到单个原子尺度的物体，就会发现一个新的天地：一颗放在桌上的苹果，看起来就会变成一堆振动的粒子，在活跃地运动着。

温度可以看作衡量我们周围的原子和分子运动量和速度的一种指标。当物体被冷却时，它们的分子运动得就更少。“绝对零度”就是那个原子和分子完全停止运动的点。

然而，量子力学认为，由于不确定性原理，完全不存在运动是不可能的。相反，在量子力学中，绝对零度的温度概念对应着一种“运动基态”，它也可以理解成一种物体理论上可以拥有的最小运动量。

在过去几十年间，物理学家找到了不少方法，让物体的温度降得越来越低，使它们的原子处于几乎静止，也就是接近运动基态的状态。为了使物体停止运动，一种方法就是对它施加方向相反、大小相等的力，这就好像用手接住飞行的球一样。如果科学家能精确地测量原子运动的大小和方向，就可以施加反作用力使其降温，这就是反馈冷却技术的简单原理。

到目前为止，物理学家已经借助各种方式应用反馈冷却，使得单个原子或者超轻的物体达到其量子基态，同时，他们一直在努力对越来越大的物体进行这种超冷却，从而研究更大规模的经典系统中的量子效应。

被“冷却”的四面反射镜之一。|图片来源：Matt Heintze / Caltech /MIT / LIGO Lab via The Conversation

直到近期，一组科学家首次将人类尺度上的大型物体冷却到接近其运动基态。这个“物体”不是传统意义上位于某个位置的有形的东西，而是4个独立物体的组合运动，其中每个物体重约40千克。研究中被冷却的“物体”质量相当于约10千克，包含约1 x 10²⁶个原子。实验中，它达到了相当于77纳开尔文的温度，距离预测的运动基态仅“一步之遥”。研究已于近日发表在《科学》杂志上。

而这组“物体”的名字你一定听过，它就是激光干涉引力波观测台（LIGO）。

众所周知，LIGO探测的是时空中微小的涟漪，也就是引力波。这些波来自遥远星系中的黑洞或者其他恒星碰撞的灾难性事件，它们在探测器中引起的运动甚至比一个质子还要小得多。因此，这要求仪器必须对振动格外敏感。

LIGO由位于美国不同地点的双干涉仪组成。每个干涉仪有两条长隧道，连接成L形，每条隧道两端都有一面重40千克的反射镜。LIGO使用激光探测引力波，激光沿着长隧道发射，在两对反射镜之间来回反弹，然后组合产生干涉图案。镜子之间距离的微小变化则显示为激光强度的波动。

这四面反射镜的联合运动会被精确地控制，使它们不受周围的振动的干扰，甚至能够补偿激光从它们上面反射时的微小冲击。

为了将一个大型物体的原子冷却到接近基态，一个首要条件便是极其精确地测量出它们的运动，从而得到停止这种运动所需的相反的力。目前很少有仪器能够达到这样的精度，然而LIGO的这四面反射镜恰恰有此潜力。

科学家从数学上证明，四面40千克的反射镜的联合运动，相当于一个10千克物体的运动。换句话说，在这个实验中观察到的激光强度变化的模式和我们从一面10千克的镜子中看到的一样。

实验并没有测量单个分子的运动。相反，他们测量的是所有原子的平均运动（质心运动）。当测量原子和其他量子效应时，测量行为本身能够随机地反冲镜子并使其运动，这是一种被称为“测量反作用”的量子效应。

当激光的单个光子从镜子上弹起来收集有关镜子移动的信息时，光子的动量会向后推镜子。这样一来，如果对镜子连续测量，从后面光子中得到的信息就能反映出之前的光子的随机反冲。

通过每面镜子上的完整记录，研究人员就可以对镜子施加方向相反、大小相同的力，使得集体运动几乎完全停止。