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作者 jackliao1990 (j)
標題 [新聞] 研究重力的酷炫新方法
時間 Sat May 31 18:10:10 2025


1.媒體來源:
外媒 MIT News

2.記者署名:
Anne Wilson

3.完整新聞標題:
A cool new way to study gravity

4.完整新聞內文:
麻省理工學院開發的一項技術使一類新的實驗成為可能，最終可以讓物理學家測試重力是
否需要用量子理論來描述。

現代物理學中最深刻的未解決問題之一是：「引力是量子的嗎？」

其他基本力—電磁力、弱力和強力—都已被成功描述，但尚不存在完整且一致的量子重力
理論。

麻省理工學院機械工程系博士生申東哲表示：「理論物理學家提出了許多可能的情況，從
引力本質上是經典的到完全量子的，但爭論仍未解決，因為我們從來沒有明確的方法來在
實驗室中測試引力的量子性質。」「回答這個問題的關鍵系統，準備足夠大以引力在於但
又足夠安靜（如何揭示量子）。」


申也是 MathWorks 研究員，他研究探索基礎物理學的量子和精密計量平台，旨在為未來
的工業技術鋪平道路。他是一篇新論文的主要作者，該論文展示了厘米長扭轉振盪器的雷
射冷卻。這篇開放取用的論文《厘米級扭轉振盪器的主動雷射冷卻》最近發表在《光學》
雜誌上。


自 20 世紀 80 年代以來，雷射就經常用於冷卻原子氣體，並且自 2010 年左右以來一直
用於奈米級機械振盪器的線性運動。新論文首次介紹了該技術擴展到扭轉振盪器，這對於
全球利用這些系統研究重力至關重要。


「自從亨利· 卡文迪什於 1798 年進行著名的扭擺實驗以來，扭擺就一直是引力研究的經
典工具。它們被用來測量牛頓引力常數 G，檢驗平方反比定律，以及尋找新的引力現象，
」申解釋道。


近幾十年來，科學家們透過使用雷射消除原子中幾乎所有的熱運動，創造了微開爾文和納
開爾文溫度的超冷原子氣體。這些系統目前為世界上最精確的時鐘——光學晶格鐘提供動
力，其計時精度非常高，以至於在宇宙年齡的變化過程中，它們的誤差不超過一秒。


「從歷史上看，這兩項技術是分別發展的—一項屬於重力物理學，另一項屬於原子和光學
物理學，」申說。「在我們的工作中，我們將它們結合在一起。透過將最初為原子開發的
雷射冷卻技術應用於公分級扭轉振盪器，我們試圖連接經典世界和量子世界。這個混合平
台使一類新的實驗成為可能—這些實驗最終可以讓我們檢驗重力是否需要用量子理論來描
述。」


新論文展示如何使用鏡面光槓桿將厘米級扭轉振盪器從室溫雷射冷卻至 10 毫開爾文（1/
1,000 開爾文）。

「光槓桿是一種簡單但強大的測量技術：將雷射照射到鏡子上，即使鏡子發生微小的傾斜
，反射光束也會在探測器上發生明顯的偏移。這可以將微小的角運動放大成易於測量的信
號。」 Shin 解釋說，並指出儘管原理很簡單，但團隊在實踐中仍面臨挑戰。由於氣流、
振動或光學元件缺陷，雷射光束本身可能會輕微抖動。這些抖動可能會被誤認為是鏡子的
運動，從而限制我們測量真實物理訊號的能力。


為了解決這個問題，研究團隊採用了鏡像光槓桿方法，即採用第二個鏡像版本的雷射光束
來消除不必要的抖動。

申表示：「一束光束與扭轉振盪器相互作用，而另一束光束從角立方體鏡反射，從而逆轉
任何抖動，而不會拾取振盪器的運動。」「當兩束光束在探測器處合併時，來自振盪器的
真實訊號被保留，而來自雷射抖動的虛假運動被消除。」


這種方法將雜訊降低了千倍，使研究人員能夠極其精確地檢測運動，比振盪器本身的量子
零點波動好近 10 倍。 「這種靈敏度使我們能夠使用雷射將系統冷卻至僅 10 毫開爾文
，」申說。


申表示這項工作才剛開始。他說：「雖然我們已經實現了振盪器零點運動以下的量子極限
精度，但達到實際的量子基態仍然是我們的下一個目標。為此，我們需要進一步加強光學
相互作用—使用放大角信號的光腔，或採用光學捕獲策略。這些改進可以為兩個這樣的振
盪器僅透過重力相互作用的實驗打開大門，讓我們能夠直接測試重力是否是量子的。」


論文的其他作者來自機械工程系，包括機械工程助理教授兼 1957 年職業發展教授 Vivis
hek Sudhir 和博士生 Dylan Fife。其他作者包括猶他大學電機與電腦工程系的 Tina He
yward 和 Rajesh Menon。 申和 Fife 都是 Sudhir 實驗室量子與精密測量組的成員。


申表示，透過這項工作，他逐漸意識到團隊所面臨的挑戰的廣度。他說：「透過實驗研究
引力的量子方面不僅需要深入了解物理學（相對論、量子力學），還需要系統設計、奈米
製造、光學、控制和電子方面的實踐經驗。」


申表示：「機械工程背景涵蓋了物理系統的理論和實踐兩個方面，這為我提供了正確的視
角，讓我能夠在這些不同的領域中探索並做出有意義的貢獻。」「看到這種廣泛的培訓能
夠幫助解決科學中最基本的問題之一，這是非常有意義的。」


5.完整新聞連結 (或短網址)不可用YAHOO、LINE、MSN等轉載媒體:
https://reurl.cc/o8oqkM
A cool new way to study gravity | MIT News | Massachusetts Institute of Technology
[圖]
While no complete and consistent quantum theory of gravity yet exists, a new paper by MIT researchers presents a novel technique that may be key to a  ...

 

6.備註:
https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-12-4-473&id=569884
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