科学家在量子探索中进行了有史以来最小的重力测量

实验可能在统一 20 世纪物理学的两大理论方面发挥着重要作用。

艺术家对量子引力影响下的粒子的印象。

图片来源：南安普顿大学

科学家们利用一种他们认为有可能变得更小的技术，打破了最小重力测量的记录。事实上，它是如此之小，它可以帮助我们确定引力是否量子化，如果是的话，广义相对论和量子力学如何协调一致。

20 世纪初的重大启示之一是，能量不是连续的，而是存在于称为量子的微小封装中。这一发现本身就令人震惊，并引发了无数后续研究，证明其他事物也被量子化。然而，这种延伸的范围仍然存在不确定性：例如，时间和重力是否也存在于我们无法找到的小数据包中？

量子化引力的存在被广泛认为是解决量子力学和广义相对论之间明显不相容的关键，广义相对论是我们代表引力的最佳理论。然而，数十年的搜索未能找到这种量化的证据，也未能从理论上解释它如何达到普遍认为可接受的标准。新的实验让我们更接近这个目标。

Tim Fuchs 博士曾在莱顿大学工作，现在在南安普顿大学工作，他领导的团队使用悬浮磁铁测量了当冷却至 -273.14°C 时重力对重量为 0.43 毫克（0.000015 盎司）的粒子的影响，这是绝对零以上的度数。

超冷条件最大限度地减少了粒子的振动，使团队能够测量到仅 30 阿托牛顿 (3*10-17 N) 的引力，或者将其拼写为 0.00000000000000003 N）。这仍然大于重力量子的可能大小（如果存在的话）。然而，福克斯认为，同样的技术还可以变得更小，直到它发现重力是否可以产生任何力，或者仅限于离散跳跃。该方法类似于罗伯特·密立根首先测量电子电荷的方法，表明油滴上的总电荷始终是特定数字的倍数。

使用的“颗粒”虽然很小，但在我们的经验范围内 - 这是一粒沙子或糖的正确顺序。该力要小得多，不是由整个地球的拉力产生的，而是由重量仅为 1 公斤（2.2 磅）的块产生的。轮子调整权重，以便可以在不同距离测量它们对粒子的影响。

福克斯在一份声明中说：“一个世纪以来，科学家们一直试图理解引力和量子力学如何协同工作，但都以失败告终。” “现在我们已经成功测量了有史以来最小质量的引力信号，这意味着我们距离最终实现其协同工作原理又近了一步。 ”

“从这里开始，我们将开始使用这种技术缩小来源，直到我们到达两侧的量子世界，”福克斯继续说道。 “通过理解量子引力，我们可以解开宇宙的一些谜团——比如它是如何开始的、黑洞内部发生了什么，以及将所有的力量统一到一个大理论中。 ”

要实现这一点，量子引力必须是真实的，但一些物理学家对此表示怀疑。如果福克斯的研究没有发现更小的力存在量子化的迹象，那么这些声音就会变得更大。

尽管这个想法看起来很简单，但重力很难在微观尺度上测量，因为它太弱了。对于我们来说，可能不会有这样的感觉，因为我们被一颗无法释放我们的行星压垮了。然而，在非常小的世界中，重力完全被其他三种力的强度所压倒，实验需要找到允许这种情况的方法。

该团队需要先进的超导陷阱、精确的磁场和防振的灵敏探测器来完成这项工作。 “我们正在突破科学的界限，”合著者亨德里克·乌布利希教授说。 “解开这些谜团将帮助我们解开有关宇宙结构的更多秘密，从最小的粒子到最宏大的宇宙结构。 ”

该研究在《科学进展》上开放获取。