一颗悬浮的纳米小球在反射光线后，呈现为一个白点。图片来源：Thomas Penny

本报讯 大气之所以会对人体产生压力，是因为无数空气分子不断撞击着你的皮肤，形成了持续的压力。如今，物理学家通过探测气体中的单个原子撞击悬浮在激光中的微小玻璃球（纳米颗粒），观测到了这种微小的冲击。据《科学》报道，这项即将发表于《物理评论快报》的研究成果，有望为压力定义建立新的标准，拓展量子理论的边界，并助力科学家搜寻新的粒子。

“这是一篇非常出色的论文。”奥地利维也纳大学的Markus Aspelmeyer评价，“这项技术十分精妙，展现了这些被俘获的纳米球作为传感器的强大能力。”

1827年，英国植物学家Robert Brown在显微镜下发现，悬浮在水中的花粉颗粒会永不停歇地做无规则运动。近一个世纪后，爱因斯坦解释说，这种“布朗运动”源于水分子不断撞击花粉颗粒。他预测了颗粒的平均运动与其大小、流体黏度及温度的关系，从而将经典热力学与当时新兴的统计力学理论联系起来。不过，这位物理学家并未探讨颗粒与水分子之间的具体碰撞过程。

现在，美国耶鲁大学的David Moore及团队通过将一颗直径100纳米的二氧化硅小球置于极稀薄的气体环境中，发现了这些独特的碰撞事件。小球悬浮在真空腔内的激光束中，像弹簧上的小球一样在光阱中来回晃动，并且小球还会反射部分激光，使光波随小球的位置发生偏移。研究人员借助干涉测量这一精度极高的技术，通过对比入射光与反射光追踪了小球的运动。

为把碰撞次数减少至可控范围内，Moore团队向真空腔内注入了极微量气体——不到百亿分之一大气压的氪气或氙气。“我们选用这两种原子是因为它们质量很大，因此动量也更大。”Moore说。研究团队还使用了六氟化硫分子气体。在此过程中，气体原子或分子会偶尔撞击小球，加剧或者减弱其运动。

此外，纳米小球的晃动也来源于同真空腔内残留的水分子及激光光子的撞击。为从各类噪声中筛选出有效信号，研究团队借鉴了激光干涉引力波天文台（LIGO）的经验。该设备用于探测引力波与天体并合事件。

研究团队模仿了LIGO的处理方式，把含有噪声的实验数据和预设信号模板进行了匹配。这些模板是通过施加电场对纳米颗粒进行可控的撞击而生成的。匹配的结果使研究人员识别出每一次独立碰撞及其对小球动量带来的影响。

并非只有Moore团队观测到这类碰撞。瑞士苏黎世联邦理工学院的Lukas Novotny团队也取得了类似成果，相关研究8月份发表于《物理评论A》。该团队没有注入稀薄气体，而是向被俘获的纳米颗粒发射高能氙原子束。“我们可以定向发射原子。”论文第一作者Maxime Perdriat表示，他们还可以在一定程度上判断原子的入射方向，这有助于科学家探测来自宇宙特定方向的新粒子。

探测这类碰撞的能力可以帮助物理学家检验量子理论的极限。Aspelmeyer表示，未来或许可以把一个宏观物体，例如较大的悬浮球置于一种奇特的量子态中，使其同时处于两个位置。当与真空腔内残留的原子或分子发生碰撞时，这种量子态就会坍缩。因此像Moore做的这类实验可以揭示需要达到多高的真空度，才能使这种量子态维持足够长的时间以供测量。

这种系统还有望建立定义超高真空压力的新标准，如同原子钟定义时间单位“秒”一样。美国国家标准与技术研究所的Daniel Barker提出，研究人员可以通过统计碰撞次数来确定压力。所谓的基准标准不能依赖其他任何压力测量手段或校准，同时还要具备明确的误差，并且需要获得国际计量学界的认可。

Barker表示，这项新技术距离达到上述标准还有很大差距，但“看完这篇论文，实现该目标的几乎所有要素都已具备”。

Moore还设想了另一个应用方向。他计划用氟-18原子核对纳米小球进行处理，该原子核可以捕获电子，同时释放出几乎无法直接探测到的中微子。但逃逸的中微子会给纳米小球带来可观测的冲击。利用这一效应，科研人员有望开展测量中微子质量的相关研究，验证普通中微子是否会转化为质量更大的惰性中微子。有观点认为，惰性中微子构成了宇宙中的绝大部分物质。（王方）