量子引力有助于帮助物理学家最终将量子力学与广义相对论结合起来

引力是我们日常生活中最熟悉的一种力，它使我们的脚紧贴地面，也使月球围绕地球旋转。但是，当我们进入微观世界时，引力就变得难以捉摸，甚至与其他三种基本力–电磁力、强核力和弱核力–不相容。这使得科学家们难以构建一个完整的 "量子引力 "理论，来解释宇宙的奥秘。

量子物理学是描述微观尺度上的物理现象的理论，它可以很好地解释原子、分子、光子等粒子的行为。量子物理学的一个重要特征是，它允许存在不确定性和概率性，即粒子的属性在没有观测之前是不确定的，只有在观测时才会呈现出特定的状态。

爱因斯坦的广义相对论是描述宏观尺度上的物理现象的理论，它可以很好地解释引力的本质和作用。广义相对论的一个重要特征是，它将引力视为时空的弯曲，即物质和能量会影响时空的几何形状，而时空的几何形状又会影响物质和能量的运动。

量子物理学和广义相对论都是 20 世纪初发展起来的，它们各自在自己的领域取得了巨大的成功，也通过了许多实验的检验。然而，当我们试图将它们结合起来时，就会出现矛盾和困难。这是因为，量子物理学和广义相对论所依赖的数学框架和物理假设是不一致的，它们对于物理现实的理解也是不同的。

为了解决这个问题，科学家们一直在寻找一种 "量子引力 "理论，即一种能够同时描述微观和宏观尺度上的引力的理论，也就是一种能够将量子物理学和广义相对论统一起来的理论。这样的理论不仅可以解释引力的本质，还可以揭示宇宙的起源、黑洞的内部、暗物质和暗能量的性质等重大的科学问题。

然而，要找到这样的理论并不容易，因为要在微观尺度上测量引力是非常困难的。这是因为，引力相比其他三种基本力来说是非常微弱的，它只有在大量的物质和能量聚集在一起时才会显现出来。而在微观尺度上，引力的效应几乎可以忽略不计，被其他力所掩盖。

不过，最近，一个由来自南安普顿大学、莱顿大学和光子学与纳米技术研究所的科学家组成的国际研究小组，利用一种新的技术，成功地在微观尺度上探测到了引力的信号。这项研究发表在《自然》杂志上，被认为是在寻求 "量子引力 "理论的过程中迈出的重要一步。

"我们的团队成员、南安普顿大学的蒂姆-福克斯博士在一份声明中说："一个世纪以来，科学家们一直试图理解引力和量子力学是如何协同工作的，但都以失败告终。“通过理解量子引力，我们可以解开宇宙中的一些谜团–比如宇宙是如何开始的，黑洞内部发生了什么，或者将所有的力统一到一个大理论中。”

为了测量微观尺度上的引力，研究人员使用了一种超导磁性 "陷阱 "，将两个微小的金属球悬浮在空气中。这两个金属球的直径分别为 0.15 毫米和 0.5 毫米，质量分别为 90 微克和 580 微克。这两个金属球之间的距离为 0.2 毫米，相当于头发丝的直径。

为了减少其他力对实验的干扰，研究人员将实验装置放在一个真空室内，并将温度降低到摄氏零下 273 度，即绝对零度。绝对零度是物理学中的一个理想化的温度，它表示所有原子运动停止的状态。在这样的低温下，金属球的振动也会减少到最小，从而使引力的效应更容易被观测到。

研究人员利用一种精密的光学仪器，测量了两个金属球之间的引力。他们发现，当两个金属球相互靠近时，它们会受到一个微弱的吸引力，这个力的大小为 30 “阿托牛顿”。阿托牛顿是一种力的单位，它相当于 0.00000000000000003 牛顿。为了让你了解这个力有多小，我们可以举一个例子：如果你把一根头发丝剪成 1000 份，然后再把其中一份剪成 1000 份，你就得到了一根重约 1 微克的头发丝。如果你用这根头发丝去拉一个 1 公斤的物体，你需要的力就是 1 阿托牛顿。

这是有史以来第一次在微观尺度上测量到引力的信号，也是有史以来测量到的最小的引力信号。这一成果不仅展示了一种新的测量引力的方法，也为进一步探索引力和量子力学的关系提供了一个新的平台。

"我们的团队成员、南安普顿大学的亨德里克-乌尔布里希特博士说，这项实验为更小质量的测试以及更小引力的测量铺平了道路。

"我们正在挑战科学的极限，这可能会带来关于引力和量子世界的新发现。我们的新技术使用极低的温度和设备来隔离粒子的振动，这很可能会成为测量量子引力的未来方向。"他总结说："揭开这些谜团将有助于我们解开宇宙结构的更多秘密，从最微小的粒子到最宏大的宇宙结构。