1.媒体来源:
外媒 MIT News
2.记者署名:
Anne Wilson
3.完整新闻标题:
A cool new way to study gravity
4.完整新闻内文:
麻省理工学院开发的一项技术使一类新的实验成为可能，最终可以让物理学家测试重力是
否需要用量子理论来描述。
现代物理学中最深刻的未解决问题之一是：“引力是量子的吗？”
其他基本力—电磁力、弱力和强力—都已被成功描述，但尚不存在完整且一致的量子重力
理论。
麻省理工学院机械工程系博士生申东哲表示：“理论物理学家提出了许多可能的情况，从
引力本质上是经典的到完全量子的，但争论仍未解决，因为我们从来没有明确的方法来在
实验室中测试引力的量子性质。”“回答这个问题的关键系统，准备足够大以引力在于但
又足够安静（如何揭示量子）。”
申也是 MathWorks 研究员，他研究探索基础物理学的量子和精密计量平台，旨在为未来
的工业技术铺平道路。他是一篇新论文的主要作者，该论文展示了厘米长扭转振荡器的雷
射冷却。这篇开放取用的论文《厘米级扭转振荡器的主动雷射冷却》最近发表在《光学》
杂志上。
自 20 世纪 80 年代以来，雷射就经常用于冷却原子气体，并且自 2010 年左右以来一直
用于奈米级机械振荡器的线性运动。新论文首次介绍了该技术扩展到扭转振荡器，这对于
全球利用这些系统研究重力至关重要。
“自从亨利·卡文迪什于 1798 年进行著名的扭摆实验以来，扭摆就一直是引力研究的经
典工具。它们被用来测量牛顿引力常数 G，检验平方反比定律，以及寻找新的引力现象，
”申解释道。
近几十年来，科学家们透过使用雷射消除原子中几乎所有的热运动，创造了微开尔文和纳
开尔文温度的超冷原子气体。这些系统目前为世界上最精确的时钟——光学晶格钟提供动
力，其计时精度非常高，以至于在宇宙年龄的变化过程中，它们的误差不超过一秒。
“从历史上看，这两项技术是分别发展的—一项属于重力物理学，另一项属于原子和光学
物理学，”申说。“在我们的工作中，我们将它们结合在一起。透过将最初为原子开发的
雷射冷却技术应用于公分级扭转振荡器，我们试图连接经典世界和量子世界。这个混合平
台使一类新的实验成为可能—这些实验最终可以让我们检验重力是否需要用量子理论来描
述。”
新论文展示如何使用镜面光杠杆将厘米级扭转振荡器从室温雷射冷却至 10 毫开尔文（1/
1,000 开尔文）。
“光杠杆是一种简单但强大的测量技术：将雷射照射到镜子上，即使镜子发生微小的倾斜
，反射光束也会在探测器上发生明显的偏移。这可以将微小的角运动放大成易于测量的信
号。” Shin 解释说，并指出尽管原理很简单，但团队在实践中仍面临挑战。由于气流、
振动或光学元件缺陷，雷射光束本身可能会轻微抖动。这些抖动可能会被误认为是镜子的
运动，从而限制我们测量真实物理讯号的能力。
为了解决这个问题，研究团队采用了镜像光杠杆方法，即采用第二个镜像版本的雷射光束
来消除不必要的抖动。
申表示：“一束光束与扭转振荡器相互作用，而另一束光束从角立方体镜反射，从而逆转
任何抖动，而不会拾取振荡器的运动。”“当两束光束在探测器处合并时，来自振荡器的
真实讯号被保留，而来自雷射抖动的虚假运动被消除。”
这种方法将噪声降低了千倍，使研究人员能够极其精确地检测运动，比振荡器本身的量子
零点波动好近 10 倍。 “这种灵敏度使我们能够使用雷射将系统冷却至仅 10 毫开尔文
，”申说。
申表示这项工作才刚开始。他说：“虽然我们已经实现了振荡器零点运动以下的量子极限
精度，但达到实际的量子基态仍然是我们的下一个目标。为此，我们需要进一步加强光学
相互作用—使用放大角信号的光腔，或采用光学捕获策略。这些改进可以为两个这样的振
荡器仅透过重力相互作用的实验打开大门，让我们能够直接测试重力是否是量子的。”
论文的其他作者来自机械工程系，包括机械工程助理教授兼 1957 年职业发展教授 Vivis
hek Sudhir 和博士生 Dylan Fife。其他作者包括犹他大学电机与电脑工程系的 Tina He
yward 和 Rajesh Menon。 申和 Fife 都是 Sudhir 实验室量子与精密测量组的成员。
申表示，透过这项工作，他逐渐意识到团队所面临的挑战的广度。他说：“透过实验研究
引力的量子方面不仅需要深入了解物理学（相对论、量子力学），还需要系统设计、奈米
制造、光学、控制和电子方面的实践经验。”
申表示：“机械工程背景涵盖了物理系统的理论和实践两个方面，这为我提供了正确的视
角，让我能够在这些不同的领域中探索并做出有意义的贡献。”“看到这种广泛的培训能
够帮助解决科学中最基本的问题之一，这是非常有意义的。”
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