澎湃新闻|40千克的镜子被量子力学“踢了一脚” 科学家首次发现宏观物体量子波动鱼羊|萧箫|发

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量子位报道 | 公众号 QbitAI
量子力学似乎离我们的日常很远。
除了偶尔会被用来收收智商税（例如，量子波动速读）。
毕竟，微观与宏观世界差异很大，前者受量子力学统治，后者则遵循经典力学的规则运行。
而就在近期，微观世界与宏观世界间的次元壁被打破了——
MIT中一面40公斤重的镜子，被量子力学“踢”了一脚，发生了位移。

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即使这个位移大小和原子相比，就像拿原子的大小和人相比（只位移了10^(-20)m），但却无疑是物理研究中关键的一大步。
这个位移，证明室温下的量子涨落对宏观物体造成的影响确实可测。
研究随后登上《Nature》，网友们对这项成果感到激动不已，因为这标志这量子力学也在支配着宏观物体，虽然极其微弱，但是已经被我们探测到：

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之所以网友们这么惊奇，是因为在人们的基本认知中，量子涨落对宏观物体产生的影响根本难以测量。
这是由量子力学的基本原理决定的。
测不准原理
量子理论的创始人之一海森堡曾提出了著名的“测不准原理”：
Δx · Δp ≥ ?/2
Δx代表物体位置的偏差，Δp代表物体动量（质量×速度）的偏差，二者的乘积不能小于?/2 。
这也就意味着任何物体不可能完全静止下来，会一直处于波动状态，否则物体的位移和速度都为0，Δx · Δp = 0 。
但?是如此之小（1.05×10-34Js），日常生活中我们根本无法察觉到它的存在。

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△ 测不准原理
然而，事实证明，量子波动的确对宏观物体产生了影响，并足以将40公斤重的大型反射镜移动10^(-20)m的位移。
这么小的位移，科学家们究竟是怎么测出来的？
这就必须得提到LIGO的神奇技术了。
探测宇宙更深处的引力波
激光干涉仪引力波天文台（LIGO），是用于探测引力波的一个大规模物理实验和天文观测台，由美国国家科学基金会资助，加州理工学院和麻省理工学院共同管理运营。
2015年，LIGO探测到了由双黑洞并合引起的引力波信号，是人类首次直接探测到引力波。
其主要设备是位于美国路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的两个激光干涉仪。具体而言，在LIGO干涉仪中，有两条长4公里的真空管道，末端各悬挂一面40公斤重的镜子。

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激光光束通过反射镜被分为两束，沿两臂同时分别射出，并在镜子处形成反射。当反射回来的光重新相遇，就会形成干涉现象。
而如果这个过程遇到引力波的扰动，干涉臂的长度就会受到影响，激光干涉结果就会出现光强变化。

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引力波是时空中的涟漪，让空间发生微弱的扭曲，它的强度极弱。
就拿人类发现的第一个引力波为例：当时的引力波传播到地球上时，只能让北京到上海之间改变不到一个原子核的距离。
这也是爱因斯坦预测100年后人类才找到引力波的原因。直到科学家们建造了LIGO之后，才让发现引力波成为可能。
任何一点微小的振动都可能把引力波造成的振动淹没。所以科学家们想尽一切办法，只为减小一切外界的干扰因素。
但问题在于，真空之中存在量子涨落现象，这就会“挤压”镜子，造成镜子的位移，产生背景噪声。
当LIGO试图探测宇宙更深处、更微弱的引力波信号时，由于量子噪声和引力波信号间的信噪比太低，引力波引号就会被淹没在量子噪声中。