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十年挑战：“量子引力”实验或将统一物理学的两大支柱——

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发布时间：2024-02-26

 

物理学家最近在磁阱中测量了一个悬浮粒子的引力，创下了迄今为止测量到的最微小引力纪录。

 

这个粒子的重量仅为0.43毫克，其引力强度达到了阿托牛顿级别（attonewtons，10-18牛顿），这一强度接近于量子领域的界限。这一发现开辟了可能的途径，用以阐明经典物理学与量子力学之间的相互作用。

 

领导此项研究的是来自莱顿大学和南安普顿大学的物理学家蒂姆·福克斯（Tim Fuchs）。他表示：“一个世纪以来，科学界努力探究引力与量子力学的相互作用关系，但始终未能达成明确的理解。”

 

他补充说：“通过测量到迄今为止最轻微的引力信号，我们为理解引力与量子力学如何协同作用迈出了重要一步。”

 

 
该研究团队的成果已在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表。
 
 
迄今为止，量子引力问题是科学界面临的最棘手挑战之一，它触及到我们理解宇宙的根本框架。
 
在大尺度上，经典物理学——尤其是万有引力理论，能够解释宇宙中绝大多数现象。然而，这套理论在微观尺度，如原子和亚原子层面，就显得力不从心，无法解释我们观察到的现象。
 
为弥补这一缺陷，科学家转向了量子力学。但量子力学的适用范围也有限，它并不适用于宏观尺度的现象。尽管如此，宇宙似乎仍旧按照某种未知的规则运作，这促使科学家相信，必须存在某种框架，能够桥接这两大理论之间的鸿沟。
 
探索量子引力的一种潜在途径是在极其微小的尺度上探测引力，但这一任务远比预想的困难。因为引力无所不在，要在地球的引力背景中探测到量子尺度的信号，无疑是一项艰巨的挑战。
 
为克服这一难题，福克斯及其团队采用了一种名为“超导磁阱”（superconducting magnetic trap）的设备：一个由钽制成，冷却至接近绝对零度（4.48开尔文，即-268.67摄氏度或-451.6华氏度）的微型装置。
 
实验中，一个由三个0.25毫米的钕磁铁立方体和一个相同尺寸的玻璃球粘合而成，质量约为0.43毫克的粒子，在腔体中悬浮。
 
为了隔绝外部振动干扰，实验装置悬挂在质量弹簧系统之上，并置于气动阻尼器上以减少来自建筑的振动影响。
 
通过在特定位置放置一个由三个2.45千克黄铜质量构成的电动轮，产生了重力梯度，对粒子造成了可测量的影响，其中引力仅为30阿托牛顿。
 
实验装置的示意图
 
悬浮粒子光谱
 
对引力驱动的反应是分离度的函数
 
这一测量标志着物理学家探测引力的最微小尺度，打破了三年前使用两个90毫克金球所创下的记录。
 
2021年3月，科学家们在《自然》杂志上撰文，报告检测到两个质量仅约90毫克之间的引力耦合
 
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03250-7
 
 
研究团队强调，他们目前的进展仅仅是起点。已经验证了实验方法的有效性之后，他们现在志在拓展研究的深度和广度，希望这将为探索那个神秘的“量子引力理论”铺设坚实的基础。
 
福克斯教授相信，这项突破性的成果将为科学界提供重要线索，助力找到理论框架中目前缺失的部分。
 
“我们计划借助这项技术进一步缩小实验的规模，直到触及量子界限。通过深入理解量子引力，我们期望能够揭示宇宙的诸多秘密，包括宇宙如何诞生、黑洞的内部结构，以及如何将宇宙的所有基本力量统一于一套全面的理论之下。”
 
不过，实现这一目标还需时日：福克斯预计，进行首次这样的测量可能需要五至十年时间。
 
尽管量子领域的规则尚未完全被解读，普遍认为在微观尺度上，粒子与力之间的相互作用迥异于宏观物体的行为模式。
 
南安普顿大学的物理学教授亨德里克·乌尔布里希特（Hendrik Ulbricht）指出，这些研究成果为未来在更小尺度上的物体与力之间的实验研究开辟了新的道路。
 
他进一步阐述：“我们正处于科学探索的新领域，这可能促成关于引力与量子世界之间新的发现。”
 
“我们采用的新技术利用极低温度和精密设备来隔绝粒子振动，这可能成为未来测量量子引力的关键方向。”
 
“揭开这些秘密将有助于我们更深入地理解宇宙的结构，从最微小的粒子到最壮观的宇宙体系。”
 
尽管前路漫长，我们开始感觉到，揭开宇宙最深奥秘密的答案，可能就藏在量子的瞬间变化之中。
 
量子粒子的概念图
 
参考链接：
[1]https://www.sciencealert.com/scientists-have-taken-the-smallest-gravitational-field-measurement-yet
[2]https://www.sciencealert.com/physicists-have-figured-out-a-way-to-measure-gravity-on-a-quantum-scale
[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/1035222
[4]https://www.theguardian.com/science/2024/feb/23/quantum-physics-microscopic-gravity-discovery
[5]https://www.sciencefocus.com/news/breakthrough-quantum-gravity
[6]https://phys.org/news/2024-02-scientists-closer-quantum-gravity-theory.html
 

 

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