物理学家观测到布朗运动的瞬时速度


最近,来自德州奥斯丁大学的物理学家首次对布朗运动的微米小球的速度进行了测量,相关结果发表在《Science Express》上(是《Science》杂志的网络版,只有编辑认为的最重要的稿件才会在这上面预先发表)。在实验中,他们首先获得了一个非常稳定的光镊系统,用于束缚3微米半径的小球。为了把小球抛到空中,他们还特别设计了一套超声波发生器,产生足够的冲力来克服表面张力。在空气中,这个系统非常稳定,小球能够在光镊中维持两天以上。为了测量小球的速度,他们用了另外一束激光照射小球,通过测量反射光可以获得小球的位置。这套测量系统的位置精度是0.1纳米,测量所需的时间小于1微秒。正是在如此高精度的测量系统帮助下,作者才能对小球的位置进行实时测量,从而得到其运动的速度。

我们知道,小球在空气中是被大量的分子碰撞的。因此在平衡态下,其运动就是一个典型的布朗运动。但是由于小球的质量比空气分子大得多,要完全改变小球的初始运动速度与方向,需要一个特征时间tau。如果我们的测量仪器能够在远远小于这个特征时间的尺度内完成对小球速度与位置的测量,那么我们就可以完成对小球速度的实时测量。对于实验所用的这个系统来说,特征时间tau大概在几十到几百微秒的量级,因此作者就完成对布朗运动速度的测量这一爱因斯坦看来几乎不可能的任务。接下来,作者们希望能在加入反馈冷却系统来冷却小球,使之逼近量子基态。如果真的能够实现,那么将会有更多好玩的事情出现。我期待着看到他们的新结果。

最后提一句,这篇论文的第一作者李统藏是我朋友,我们曾在今年一月在杭州见过面,一起吃过饭,当时我就听他报告过这个结果了。在他做实验的过程中,我们通过网络交流讨论过很多次。我很高兴能够从他那里学到很多实验方面的细节知识,从他那里了解这个激动人心的实验的最新进展。最后我也很荣幸,在论文的致谢部分,他提到了我的名字。

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