物理学家马库斯·阿斯佩尔迈尔生动地记得大约十年前的一天，一位访客来到他的实验室，宣称他办公室椅子的引力太弱，无法测量。无论是否可测量，这种力肯定应该存在。自从艾萨克·牛顿在1687年进行研究以来，物理学家们就认识到引力是普遍存在的：每个物体都会对周围的所有物体施加与其质量成正比的引力。这位访客的评论旨在将越来越离奇的对话拉回现实，但维也纳大学教授阿斯佩尔迈尔将其视为一项挑战。“我的决心是‘好吧，我不仅要测量这把椅子的引力场，而且我们要变得越来越小，越来越小！’”他回忆道。
在那一天诞生的研究努力现在已经产生了第一个成果：测量了两个微小金球之间的引力，每个金球大约有芝麻大小，重量相当于四粒米——这是迄今为止测量过引力的最小质量。今天发表在《自然》杂志上的这些结果，使物理学家们朝着调和引力与量子力学这一遥远目标迈进了一步，量子力学是所有非引力物理学的理论基础。
精密引力
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很难想象对于如此小的质量来说，引力是多么的微弱。一个球体（“源质量”）对另一个球体（“测试质量”）在几毫米外的引力，比一片飘落的雪花的力小一千多万倍。阿斯佩尔迈尔团队面临的核心挑战是设计一种探测器，该探测器对这种引力极其敏感，但对来自四面八方推拉测试质量的更大的背景力完全不敏感。
研究人员使用一种称为扭秤的探测器实现了这种灵敏度，它看起来像一个悬挂在婴儿床上的微型移动玩具。测试质量球体固定在一根细杆的一端，细杆的中点由一根四微米厚的石英纤维悬挂。杆的另一端有一个相同的球体作为配重。作用在测试质量上的力会导致扭秤旋转，直到它被纤维扭转产生的恢复力平衡。如此细的纤维非常柔顺，因此即使是非常微弱的力也会产生相对较大的旋转。至关重要的是，扭秤对来自远处物体的力非常不敏感，这些力会拉动测试质量并相互平衡，因此不会引起旋转。
引力可以理解为源于时空弯曲，这在艺术家的印象图中显示出来。图片来源：Arkitek Scientific
但即使是这种巧妙的扭秤设计也没有完全将测试质量与维也纳白天繁忙的城市环境隔离开来。“最佳时间总是在午夜到凌晨 5 点之间，那时街上没有人，”阿斯佩尔迈尔解释说。“[但] 星期五或星期六情况并非如此。”
为了测量源质量的引力，研究人员并没有简单地将其放置在测试质量附近。相反，他们使其在几毫米的平均距离附近连续来回移动。这种称为调制的技巧隐含在转向信号灯和闪烁的自行车灯的设计中：与恒定的信号相比，规则的、周期性的信号在始终存在的背景噪声中更容易被看到。果然，科学家们观察到以恰好正确的频率振荡的力。然后，他们多次重复这个过程，改变质量之间的平均距离，并测量了在 2.5 到 5.5 毫米距离处小至 10 飞牛的力。该团队将这些测量值与牛顿著名的引力平方反比定律进行了比较，该定律描述了两个物体之间的引力如何取决于它们之间的距离：数据与牛顿定律的符合度在 10% 以内。
“你能测量这些非常、非常、非常微小的力——我认为这非常了不起，”国家标准与技术研究所的物理学家斯蒂芬·施拉明格说，他研究引力，但没有参与这项工作。
但阿斯佩尔迈尔和他的同事们还不能宣布胜利：他们仍然必须排除源质量调制在测试质量上产生其他力的可能性，这些力将以完全相同的频率振荡。支撑实验装置的桌子的周期性摇晃，是由源质量几乎不可见的运动的反冲引起的，这只是研究人员必须仔细量化的众多混杂因素之一。最终，他们发现所有已知的非引力力都将至少比引力相互作用小 10 倍。
迈向量子尺度
阿斯佩尔迈尔认为，改进后的扭秤将对质量小 5000 倍的物体的引力敏感——比一根睫毛还轻。他的最终目标是通过实验检验引力的量子性质，这是一个困扰物理学家近一个世纪的问题。量子力学是科学中最成功和最精确检验的理论之一：它描述了从亚原子粒子的行为到使现代计算成为可能的半导体物理学的一切。但是，开发引力量子理论的尝试一再因矛盾和荒谬的预测而受阻。
量子力学描述的粒子以非常违反直觉的方式表现。量子行为最奇怪的一种是特殊的称为纠缠的相关形式：当两个粒子变得纠缠时，它们的命运变得密不可分地联系在一起，并且不能单独描述它们。纠缠和其他量子效应在非常小且隔离良好的系统（如原子和分子）中最突出，并且在引力相关的更大尺度上变得越来越脆弱。直到最近，引力量子检验似乎远远超出了实验室规模实验的范围。
但是，过去几年见证了在辨别越来越大的系统中的微妙的量子效应方面取得了显着的实验进展。在 2017 年末，两个理论物理学家小组独立提出了一个雄心勃勃但可能实现可行的实验，该实验可以对引力的量子性质做出明确的声明。这项努力将测量引力是否可以使两个量子粒子纠缠。如果是这样，“那么就无法逃避这样一个事实，即它在某种意义上必须是非经典的，”牛津大学的理论物理学家基亚拉·马莱托说，她与牛津大学的同事弗拉特科·韦德拉尔共同撰写了其中一份提案。
引力诱导纠缠的观察将是开创性的。但是，引力是量子力学的结论性证明将需要证明两个粒子仅通过引力相互作用。阿斯佩尔迈尔为隔离越来越小质量物体之间的引力所做的努力是迈向此类明确检验的关键一步。“由于量子是从小到大发展的，因此引力和量子有可能在中间的某个地方相遇，”伦敦大学学院的理论物理学家苏加托·玻色说，他与九位合作者共同撰写了另一份提案。
“引力在根本上是否表现出量子行为是一个实验问题，”阿斯佩尔迈尔说。“我们迫不及待地想全力以赴，看看结果如何。”