近日美國勞倫斯·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(jù)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系統(tǒng)，后者能夠提供一種超冷原子云，研究人員測量到大約42幺牛頓（yoctonewton）的力，一幺牛頓相當于10^ -24牛頓，一盎司的力大約有3 x 1023幺牛頓。

　　“我們向位于高度精密的光學共振器內超冷原子云的質心運動施加了一個外力，并從光學上測量產生的運動。”勞倫斯·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（Dan Stamper-Kurn）這樣說道。“當推動力與原子云的振蕩頻率發(fā)生共振時，我們獲得的敏感性與理論預測相一致，大約比標準量子極限(standard quantum limit，簡稱SQL)高四個因素，是目前為止可以進行的最敏感測量。”

　　丹·史丹博-庫倫是這篇發(fā)表在期刊《科學》上的文章的聯(lián)系作者。這篇名為《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）、內森·勃拉姆斯（Nathan Brahms）、蒂埃里·波特（Thierry Botter）和瑪麗羅斯·巴里奧斯（Maryrose Barrios）。

　　如果你想要證實引力波的存在，也就是愛因斯坦在廣義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面的引力定律在微觀層面上應用的程度，你需要檢測和測量極其小的力和運動。例如，在激光干涉引力波天文臺（LIGO），科學家們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，這些系統(tǒng)將作用力轉化為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，它將面臨海森堡不確定原理強加的障礙，這一原理提出測量本身會擾亂振蕩器的運動，這個現(xiàn)象被稱為“量子反向作用”。這種障礙被稱為標準量子極限。在過去的幾十年間，科學家們部署了一系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六到八個數(shù)量級。

　　“我們測量力的敏感性是目前為止最接近的SQL，”研究首席作者、史丹博-庫倫研究小組的成員西德尼·施瑞普勒這樣說道。“我們能夠獲得這樣高的敏感性是因為我們的機械振蕩器只由1200個原子組成。”

　　在由施瑞普勒、史丹博-庫倫和他的同事們使用的實驗設置里，機械振蕩器元素是銣原子氣體，它被光學圍困并冷卻到接近絕對零度。這種光學陷阱由兩個波長分別為860和840納米的駐波光場組成，它們能夠對原子產生數(shù)值相等但方向相反的軸向力。通過調制840納米光場的振幅來誘發(fā)氣體的質心運動，然后利用780納米波長的探測光來測量這一運動。

　　“當我們對振蕩器施加外部作用力，就像用球拍擊打鐘擺然后測量它的反應一樣，”施瑞普勒這樣說道。“我們方法的敏感性和接近SQL的關鍵在于我們能夠從環(huán)境里分離銣原子，然后維持它的低溫。我們使用的圍困原子的激光能夠將它們從外來環(huán)境噪音中分離出來，但同時又不會加熱這些原子，因此這些原子能夠保持寒冷同時使得我們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(guī)避技術，這一技術只要通過執(zhí)行非標準的測量即可實現(xiàn)。就目前為止，這項研究中展示的實驗性方法提供了新的途徑，試圖監(jiān)測引力波的科學家們可以利用這種方法將探測能力的極限與預測的引力波振幅和頻率進行對比。對于那些想要確定牛頓重力理論是否可以應用于量子世界的科學家們來說，現(xiàn)在他們擁有了一種可以測試他們理論的方法。這一實驗里改善的力敏感性或可能為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可能可以在五年內達到。”施瑞普勒這樣說道。“科學家們花費的時間比預測的晚了30多年，但我們現(xiàn)在已經(jīng)有了新的實驗裝置，它既可以非常接近SQL，又可以表現(xiàn)出與SQL不同的不同類型的模糊噪音。”這項研究得到了空軍科研辦公室和國家科學基金會的支持。