一毫克的转子，靠被观测而保持静止

过去二十年里，物理学家已经学会把机械物体控制在接近其量子极限的状态——从重仅飞克的纳米尺度谐振器，到引力波探测器中重达数千克的镜子。但它们几乎都是振子：有某种东西，比如弹簧，把它们拉回中心。量子力学中最简单的系统——没有任何东西把它拉回的自由粒子——却一直难以实现这样的控制。在自由运动所处的低频段，来自环境的摩擦和噪声淹没了一切。

然而，好几个重大问题恰恰需要自由质量：检验引力是否是量子的、探测对量子力学提出的修改、寻找新的短程力。

玻璃丝上的镜子

奥地利科学技术研究所的Umang Mishra、Teodor Strömberg、Onur Hosten及其同事制作了这个测试对象：一根熔融石英制成的重1毫克的镜面小棒，长2毫米，悬挂在一根长15厘米、粗1微米的熔融石英纤维上，处于低于10⁻¹⁰毫巴的真空中。严格来说，它是一个扭摆，每15秒来回摆动一次。但在这里关键的时间尺度——几十毫秒——上，它几乎感受不到这种拉力：它表现得就像一个自由物体。

它的隔离程度极高。团队测量了扰动它的随机力矩，发现除了仅7纳赫兹的阻尼率所会产生的噪声之外，没有其他噪声。如果用作加速度计，小棒的末端将比此前同等质量下最好的实验灵敏近一百倍。

为了观测它，一个“双光学杠杆”让两束激光沿相反方向从镜面反射，这样激光本身的晃动会相互抵消，只留下小棒的转动。第三束光可以用光压推动小棒。整套装置安放在一个地震隔振平台上，一台带有自己悬挂镜的小型干涉仪追踪该平台的任何残余运动。

用测量代替阱

关键想法是：连续测量可以取代阱。如果放任不管，自由物体的位置和速度会扩散开来，变得越来越不确定。如果不间断地测量，它的轨迹会随之逐步显现，而我们对其状态的了解会稳定在一个有限的模糊程度上。在这里，这种模糊在大约26毫秒内趋于稳定。

这种剩余的不确定性可以转换为一个温度，所用的是教科书中把温度与熵的变化联系起来的定义。这种“熵温度”表示人们对转子运动了解得有多精确，并使自由物体可以与振子相比较。

团队先用光囚禁小棒，再将其释放，并在100段每段1.25秒的时间内记录它的角度。他们比较了两种重建其状态的方法：只使用过去测量的“因果”估计，以及同时使用之后测量的“平滑”估计。两者之间的差异提供了一种新方法，用来检验人们对状态的了解究竟有多精确。

140纳开

• 仅凭过去的数据，转子的状态对应1.2微开。
• 经过平滑后，它降到140纳开——比绝对零度高十亿分之140度。

这比此前用机械物体进行的桌面实验大约冷两个数量级。作者们指出，这使此类系统进入了超冷区域，而该区域迄今主要与通过蒸发冷却的原子云联系在一起。传统的反馈冷却无法达到这一温度。

存在一个下限。对于这种隔离程度，模型预测温度不能低于约15纳开：根据海森堡不确定性原理，对位置测量得越精细，转动速度就变得越模糊。

安静的自由质量有什么用

有两种用途立即可见。一些理论修改了量子力学，使量子模糊自发坍缩，这会给每个物体加上一种微弱的随机抖动。转子测得的静止程度在低频段排除了这类模型的一个新范围，与LISA探路者（LISA Pathfinder）空间任务所设定的限制互为补充。

第二种用途是引力。引力能否让两个质量发生纠缠，是一个核心的悬而未决的问题。按照该团队的品质因数，两个这样的转子在产生纠缠与失去纠缠之比上，已经比此前任何已演示的系统高出近两个数量级，但离目标仍很遥远。作者们写道，再加上一个用来读出转动、要求不高的光学腔，就能使所需的纯度变得触手可及。