在探索現(xiàn)代物理學(xué)的最深?yuàn)W領(lǐng)域之一——引力是否為量子力的問(wèn)題時(shí)，科學(xué)家們面臨了一項(xiàng)長(zhǎng)期未解的難題。盡管電磁力、弱核力和強(qiáng)核力都已被量子理論成功描述，但引力卻始終游離于這一框架之外。然而，麻省理工學(xué)院（MIT）的一項(xiàng)最新研究為這一謎題帶來(lái)了新的曙光。

長(zhǎng)久以來(lái)，理論物理學(xué)家圍繞“引力是否具有量子特性”展開(kāi)了激烈的爭(zhēng)論，提出了從引力作為經(jīng)典力到引力完全是量子力的多種假設(shè)，但這些觀點(diǎn)一直缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。MIT機(jī)械工程系的博士研究生申?yáng)|哲指出，問(wèn)題的關(guān)鍵在于缺乏一種有效的方法在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試引力的量子特性。為了填補(bǔ)這一空白，申?yáng)|哲及其團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)一種既足夠大以感受引力，又足夠量子化的機(jī)械系統(tǒng)。

在這項(xiàng)突破性的研究中，申?yáng)|哲團(tuán)隊(duì)利用激光冷卻技術(shù)，成功地將一個(gè)厘米級(jí)的扭轉(zhuǎn)振蕩器冷卻至接近絕對(duì)零度。這一成就不僅為探索引力的量子特性開(kāi)辟了新的實(shí)驗(yàn)途徑，也為未來(lái)的技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。他們的研究成果發(fā)表在《光學(xué)》雜志上，題為《厘米級(jí)扭轉(zhuǎn)振蕩器的主動(dòng)激光冷卻》，詳細(xì)闡述了這種冷卻技術(shù)如何助力揭示引力是否遵循量子規(guī)則。

激光冷卻技術(shù)自20世紀(jì)80年代以來(lái)已被廣泛應(yīng)用于冷卻原子氣體，近年來(lái)也逐漸擴(kuò)展到納米尺度的機(jī)械系統(tǒng)控制。然而，將這一技術(shù)應(yīng)用于扭轉(zhuǎn)振蕩器尚屬首次。扭轉(zhuǎn)振蕩器自1798年亨利·卡文迪什的實(shí)驗(yàn)以來(lái)，在引力研究中一直占據(jù)重要地位，被用于測(cè)量牛頓萬(wàn)有引力常數(shù)、驗(yàn)證平方反比定律以及探索新的引力現(xiàn)象。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員采用了一種帶有反射鏡的光學(xué)杠桿技術(shù)，通過(guò)激光照射反射鏡并放大其微小傾斜，實(shí)現(xiàn)了對(duì)扭轉(zhuǎn)振蕩器運(yùn)動(dòng)的精確測(cè)量。然而，激光束本身可能因各種因素產(chǎn)生抖動(dòng)，干擾測(cè)量結(jié)果。為了解決這一問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)采用了雙激光束方案，一束與扭轉(zhuǎn)振蕩器相互作用，另一束則反射自一個(gè)角錐反射鏡，用于抵消抖動(dòng)。當(dāng)兩束光在探測(cè)器上合并時(shí)，振子的真實(shí)信號(hào)得以保留，而虛假信號(hào)則被消除。

通過(guò)這種創(chuàng)新方法，研究人員成功地將噪聲降低了千倍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)的極高精度檢測(cè)，精度幾乎超出了振子自身的量子零點(diǎn)漲落。申?yáng)|哲表示，這種靈敏度使他們能夠?qū)⑾到y(tǒng)冷卻至僅10毫開(kāi)爾文。盡管他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低于振子零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的量子極限精度，但達(dá)到實(shí)際的量子基態(tài)仍是他們的下一個(gè)目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們計(jì)劃進(jìn)一步增強(qiáng)光學(xué)相互作用，如使用光學(xué)腔或光學(xué)捕獲策略來(lái)放大角信號(hào)。

申?yáng)|哲強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)研究不僅需要對(duì)物理學(xué)有深入的理解，還需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、納米制造、光學(xué)、控制和電子學(xué)等領(lǐng)域具備豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。他的機(jī)械工程背景使他能夠跨越這些領(lǐng)域，從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行研究，為解決這一挑戰(zhàn)做出了重要貢獻(xiàn)。