科学家进行有史以来尺度最小的量子引力实验

在微观尺度上进行量子引力实验的想象图。南安普顿大学

一些科学家最近声称他们发现了一种可以在微观尺度上对引力进行测量的方法，这种方法或许能够帮助人们构建所谓的“量子引力论”，以及解开宇宙间的一些重大的谜题，比如宇宙的起源、黑洞内部的奥秘等。

量子物理学为科学家提供了一种在小于原子的微观尺度上理解宇宙的方法；而爱因斯坦的广义相对论擅长从宏观角度解释宇宙。但是虽然二者诞生至今都已逾百年，且各自经受住了大量考验，科学家却依然无法将它们统一在一起。

量子力学和广义相对论无法兼容的主要原因之一是，自然界的四种基本作用力中，有三种——电磁力、强核力和弱核力，都能用量子力学加以解释，而另外一种——引力，却没有与之相对应的量子理论。

2月23日以英国南安普顿大学科学家为首的一个国际科研团队在《科学进步》杂志上刊文，称他们研发的一种新技术，可以对微小颗粒产生的微弱引力进行探测。他们相信这种技术可以让我们在通往“量子引力论”的道路上迈出第一步。

广义相对论和量子物理学的合不来由来已久。爱因斯坦从来就对量子物理学不感冒。量子物理学中存在许多反常识的概念，其中一个对于爱因斯坦来说尤其棘手。

这个概念就是量子纠缠。简单来说，量子纠缠就是两个处于同步状态中的粒子中，即使它们分处宇宙的两端，无论哪一个的特性作什么样的改变，另一个的相关特性都会在瞬间作出反应。爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”，因为它向“定域实在论（Local Realism）”发起了挑战。

定域实在论认为，任何物体都是由其特性所决定的，且这些物体之间的相互影响，都受限于它们空间上的距离以及光速。光速是爱因斯坦在狭义相对论中引入的宇宙速度极限，是狭义相对论的基石；而广义相对论又是在狭义相对论的基础上建立的。

然而无论爱因斯坦如何抗议，科学家们实际上已经验证了在亚原子尺度上，量子纠缠以及另外许多反常识量子物理学现象的确存在。这种验证是通过许多开创性的实验进行的。2022年诺贝尔物理学奖，就颁给了用实验对量子纠缠的非定域性进行了验证的科学家。

而在最新的量子实验中，来自多个大学和科研院所的科学家，利用超导磁“陷阱”，对作用在微小的粒子身上的微弱引力进行了测量。他们在实验中所测量的粒子质量，是迄今为止同类实验中最小的。

被测量的微小磁性粒子，悬浮在-273℃的超导“陷阱”中。研究人员将粒子降到接近绝对零度，是为了尽可能去除因为热运动而带来的粒子位移。最终人们测得这个粒子产生了大约30“阿托牛顿（attoNewtons）”的引力。

在这里“阿托牛顿”和“牛顿”一样，是一个用来衡量力的大小的单位。1牛顿的力，是将1千克的质量加速到拥有1米/秒²的加速度所需的力的大小。而30“阿托牛顿”只有0.00000000000000003牛顿。

这个实验的意义在于它突破了实测产生引力的质量的最小记录。研究人员认为，类似用极端低温来限制粒子振动的方法，可以在未来对更小质量的粒子及其产生的引力加以检测，而这可以让我们更接近引力和量子世界的交汇点，最终揭开宇宙的终极奥秘。