自由墜落的「蘋果」還能發現什麼
作者：Johanna L. Miller
翻譯：loulou審校：Aprilis&Nothing
自由落體實驗是科學界中的傳奇。據說伽利略通過從比薩斜塔上丟下炮彈向他的學生證明重力加速與質量無關。牛頓經常回憶起蘋果下落的故事，這促使他開始思考長程作用的引力。（然而，並沒有證據表明蘋果落在他頭上。）
如今Erik Hebestreit和他的導師Lukas Novotny，以及他們在蘇黎世聯邦理工學院的同事們已經將故事中的 「蘋果」縮小到了納米尺度。通過將硅納米顆粒懸浮在光阱中（如圖1）並短暫釋放它們，他們可以測量重力或任何其他恆力對粒子的影響。
這種測量方法對力測量的靈敏度達到了10 aN（1 aN=10-18N），相當於尺寸為136nm的納米微粒重量的一半（這也是相隔200公里的兩個重量為80公斤的人之間的引力）。儘管精度不那麼盡如人意（誤差約為被測量的力的20％），該方法仍然可用於研究短程、恆定，納米尺度下力學的大部分未知領域。
受干涉儀啟發
納米粒子不是觀察過的自由落體中的最小物體。二十年前，Steven Chu及其同事就研究了原子干涉儀中正在下落的原子。通過利用已經獲得諾貝爾獎的冷卻和誘捕技術，他們測量了重力引起的加速度，精確度達到十億分之三，足以觀察到地球自身因每天的兩次潮汐產生的振蕩。
2015年，Andrew Geraci與Hart Goldman提出了一個類似物質波干涉儀的想法，這種干涉儀不是基於原子雲，而是固體納米球，固體納米球的非局域波函數會幹涉自身。根據他們的分析，干涉儀會對納米球與附近的微米級物體之間的吸引力十分敏感，這種相互作用可以揭示萬有引力在短程上與牛頓萬有引力定律的偏差。
這當然是一個大膽的想法。為了達到如此精確的靈敏度，實驗者必須將納米球冷卻到光阱的量子基態，這一壯舉就如今來看也仍然超出我們的能力。
然而，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員受到了這一想法的啟發。如果他們能夠進行納米粒子自由落體實驗，即使沒有將粒子冷卻到基態，他們也可以清除許多實驗障礙，從而實現Geraci和Goldman的想法。這樣一來他們就可以創建一個自我校正的納米尺度感測器。新論文的作者Martin Frimmer評論這是「下一個可能實現的一步」。
抓住和釋放
該方案的原理不難理解，如圖2所示，納米顆被限制在諧波光阱的中心。關閉光阱幾分之一毫秒，在此期間粒子在力F作用向下移動，力F可以是重力，也可以不是重力。當重新激活光阱時，粒子不再處於中心附近，並且研究人員可以精確地測量到它以很大的振幅振蕩。
最終振蕩能量E取決於F和下降持續時間T，還取決於陷阱關閉瞬間的粒子速度v0。因為初始振蕩能量E0很小但非零，所以v0通常也是非零的且不可預測。
為了最大限度地減少這種不確定性的來源，研究人員為確定T的幾個值重複了數千次的下落和捕獲過程。如果F = 0並且粒子的運動僅由v0表徵，則平均E（基本上是位移平方的平均）與T2成比例。非零F引入T4項，通過擬合數據，研究人員可以得到F。
然而，納米世界存在許多驚喜，作用於粒子的作用力並不總是人們希望測量的力。例如，快速打開關閉激光束的常用方法是使用聲光或電光調製器，因為機械快門太慢了。而AOM（聲光調製器）或EOM（電光調製器）不是完全關閉光束，而是將其衰減至大約一千分之一。光阱中的殘餘光足以淹沒弱靜力的測量。為了將殘餘光降低到可接受的低水平，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員將AOM和EOM串聯，然後同時打開和關閉。
靜電力帶來了另一項技術挑戰。必要時光阱需要位於玻璃透鏡的正下方。而作為電介質的玻璃容易產生過多的表面電荷。產生的電場非常大：大約為數百V/m，足以在帶有一個基本電荷的粒子上施加數十阿牛（阿牛就是aN，1 aN=10-18N）的力。
研究人員發現沒有消除這種雜散場的實用方法。（Frimmer說，「在現實世界裡真的沒有沒有場的東西。」）不過他們確實找到了一種釋放納米微粒上電荷的方法——將一堆帶電的微粒同時放到交流電場之中進行振蕩。當納米粒子在驅動場下停止振蕩時，其電荷為零，並且實驗準備好進行。作為原理的證明，他們的方法也可以測量施加的靜電力，研究人員賦予納米粒子額外的電子，測量殘餘場的力和施加的場的力，並測量殘餘場的力，相減就得到施加的靜電力。
範德華力和卡西米爾-波爾德色散力
大量的力感測方案都是基於機械諧振器，它們具有比 「納米蘋果」自由落體更好的靈敏度和精度。但它們僅限於測量隨時間變化的力。對於恆定存在的重力，或者其他一些力，我們難以控制它存在或者不存在。測量這些力的時候，我們就需要藉助「納米蘋果」的力量。
特別有意思的是範德華力（van der Waals）和卡西米爾-波爾德色散力（Casimir–Polder dispersion forces）之間的交界處。間距緊密的原子之間會產生範德華力。這是一種因為交換虛光子導致的非相對論量子效應。對於較大的物體和較遠的距離，就是相對論效應發揮作用的時候了。正如Hendrik Casimir和Dik Polder分析的那樣：非零傳播時間對虛光子變得重要起來，並且力隨著距離的變化而變化。在數十至數百納米的尺度範圍，我們將有可能找到非相對論和相對論之間的界限。這一範圍一直難以探索，直到蘇黎世聯邦理工學院研究人員的工作驚喜亮世。
研究人員計劃將納米顆粒從一個非常靠近垂直玻璃板的位置釋放，觀察其墜落，進而研究它們所受到的色散力。通過分別測量水平和垂直振蕩，他們希望確定顆粒是直接下落還是被板吸引或排斥。然而，這個實驗又帶來了另一個技術障礙：「我們需要處理玻璃上的反射光，」Frimmer說。 「但我們正在學習如何做到這一點。」
原文鏈接：
https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4037
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