物理學家馬庫斯·阿斯佩爾邁爾生動地記得大約十年前的一天，一位訪客來到他的實驗室，宣稱他辦公室椅子的引力太弱，無法測量。無論是否可測量，這種力肯定應該存在。自從艾薩克·牛頓在1687年進行研究以來，物理學家們就認識到引力是普遍存在的：每個物體都會對周圍的所有物體施加與其質量成正比的引力。這位訪客的評論旨在將越來越離奇的對話拉回現實，但維也納大學教授阿斯佩爾邁爾將其視為一項挑戰。“我的決心是‘好吧，我不僅要測量這把椅子的引力場，而且我們要變得越來越小，越來越小！’”他回憶道。
在那一天誕生的研究努力現在已經產生了第一個成果：測量了兩個微小金球之間的引力，每個金球大約有芝麻大小，重量相當於四粒米——這是迄今為止測量過引力的最小質量。今天發表在《自然》雜誌上的這些結果，使物理學家們朝著調和引力與量子力學這一遙遠目標邁進了一步，量子力學是所有非引力物理學的理論基礎。
精密引力
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很難想象對於如此小的質量來說，引力是多麼的微弱。一個球體（“源質量”）對另一個球體（“測試質量”）在幾毫米外的引力，比一片飄落的雪花的力小一千多萬倍。阿斯佩爾邁爾團隊面臨的核心挑戰是設計一種探測器，該探測器對這種引力極其敏感，但對來自四面八方推拉測試質量的更大的背景力完全不敏感。
研究人員使用一種稱為扭秤的探測器實現了這種靈敏度，它看起來像一個懸掛在嬰兒床上的微型移動玩具。測試質量球體固定在一根細杆的一端，細杆的中點由一根四微米厚的石英纖維懸掛。杆的另一端有一個相同的球體作為配重。作用在測試質量上的力會導致扭秤旋轉，直到它被纖維扭轉產生的恢復力平衡。如此細的纖維非常柔順，因此即使是非常微弱的力也會產生相對較大的旋轉。至關重要的是，扭秤對來自遠處物體的力非常不敏感，這些力會拉動測試質量並相互平衡，因此不會引起旋轉。
引力可以理解為源於時空彎曲，這在藝術家的印象圖中顯示出來。圖片來源：Arkitek Scientific
但即使是這種巧妙的扭秤設計也沒有完全將測試質量與維也納白天繁忙的城市環境隔離開來。“最佳時間總是在午夜到凌晨 5 點之間，那時街上沒有人，”阿斯佩爾邁爾解釋說。“[但] 星期五或星期六情況並非如此。”
為了測量源質量的引力，研究人員並沒有簡單地將其放置在測試質量附近。相反，他們使其在幾毫米的平均距離附近連續來回移動。這種稱為調製的技巧隱含在轉向訊號燈和閃爍的腳踏車燈的設計中：與恆定的訊號相比，規則的、週期性的訊號在始終存在的背景噪聲中更容易被看到。果然，科學家們觀察到以恰好正確的頻率振盪的力。然後，他們多次重複這個過程，改變質量之間的平均距離，並測量了在 2.5 到 5.5 毫米距離處小至 10 飛牛的力。該團隊將這些測量值與牛頓著名的引力平方反比定律進行了比較，該定律描述了兩個物體之間的引力如何取決於它們之間的距離：資料與牛頓定律的符合度在 10% 以內。
“你能測量這些非常、非常、非常微小的力——我認為這非常了不起，”國家標準與技術研究所的物理學家斯蒂芬·施拉明格說，他研究引力，但沒有參與這項工作。
但阿斯佩爾邁爾和他的同事們還不能宣佈勝利：他們仍然必須排除源質量調製在測試質量上產生其他力的可能性，這些力將以完全相同的頻率振盪。支撐實驗裝置的桌子的週期性搖晃，是由源質量幾乎不可見的運動的反衝引起的，這只是研究人員必須仔細量化的眾多混雜因素之一。最終，他們發現所有已知的非引力力都將至少比引力相互作用小 10 倍。
邁向量子尺度
阿斯佩爾邁爾認為，改進後的扭秤將對質量小 5000 倍的物體的引力敏感——比一根睫毛還輕。他的最終目標是透過實驗檢驗引力的量子性質，這是一個困擾物理學家近一個世紀的問題。量子力學是科學中最成功和最精確檢驗的理論之一：它描述了從亞原子粒子的行為到使現代計算成為可能的半導體物理學的一切。但是，開發引力量子理論的嘗試一再因矛盾和荒謬的預測而受阻。
量子力學描述的粒子以非常違反直覺的方式表現。量子行為最奇怪的一種是特殊的稱為糾纏的相關形式：當兩個粒子變得糾纏時，它們的命運變得密不可分地聯絡在一起，並且不能單獨描述它們。糾纏和其他量子效應在非常小且隔離良好的系統（如原子和分子）中最突出，並且在引力相關的更大尺度上變得越來越脆弱。直到最近，引力量子檢驗似乎遠遠超出了實驗室規模實驗的範圍。
但是，過去幾年見證了在辨別越來越大的系統中的微妙的量子效應方面取得了顯著的實驗進展。在 2017 年末，兩個理論物理學家小組獨立提出了一個雄心勃勃但可能實現可行的實驗，該實驗可以對引力的量子性質做出明確的宣告。這項努力將測量引力是否可以使兩個量子粒子糾纏。如果是這樣，“那麼就無法逃避這樣一個事實，即它在某種意義上必須是非經典的，”牛津大學的理論物理學家基亞拉·馬萊託說，她與牛津大學的同事弗拉特科·韋德拉爾共同撰寫了其中一份提案。
引力誘導糾纏的觀察將是開創性的。但是，引力是量子力學的結論性證明將需要證明兩個粒子僅透過引力相互作用。阿斯佩爾邁爾為隔離越來越小質量物體之間的引力所做的努力是邁向此類明確檢驗的關鍵一步。“由於量子是從小到大發展的，因此引力和量子有可能在中間的某個地方相遇，”倫敦大學學院的理論物理學家蘇加託·玻色說，他與九位合作者共同撰寫了另一份提案。
“引力在根本上是否表現出量子行為是一個實驗問題，”阿斯佩爾邁爾說。“我們迫不及待地想全力以赴，看看結果如何。”