科學家成功測到了最小質量物體的引力

【2024年03月06日訊】(記者林達編譯報導)物理學中各種理論主要受兩大思想支配——廣義相對論量子場論。廣義相對論是我們對於宏觀世界中的各種宇宙天體如何相互作用並影響時空結構的理解,而量子場論則是我們關於微觀世界的認知。

雖然這兩種理論可以很好地描述其各自的世界,但彼此不能很好地配合,如果你想將關於宇宙萬物的物理學統一在一套理論下,這是一個相當大的難題。物理世界包含四種基本力——電磁力、弱核力、強核力和引力,而量子世界只有前三種力。這就是為什麼物理學家近一個世紀以來一直在尋找關於量子引力的證據,從而將量子與引力相結合。

對量子引力的探索讓最偉大的頭腦感到困惑——包括愛因斯坦本人,他在其廣義相對論中說,沒有實驗可以證明量子引力。儘管愛因斯坦是有史以來最有天賦的物理學家之一,但他的預言並不總是對的。愛因斯坦曾經認為不可能探測到引力波,而現在LIGO探測到的引力波事件越來越多。那麼,愛因斯坦關於量子引力實驗的說法也錯了嗎?

來自英國南安普頓大學、荷蘭萊頓大學和意大利光子與納米技術研究所的國際科學家團隊渴望找到答案。2月23日發表在《科學進展》(Science Advances)期刊上的一項新研究中,該團隊詳細介紹了一種創新過程,通過該過程,他們能夠探測到有史以來有記錄的最小重力。探測到的重力來自僅為0.43毫克重的微小顆粒。雖然它並不完全處於微觀量子領域,但它已經非常小,十分接近量子領域的大小。

該研究的主要作者、南安普頓大學的蒂姆·福克斯(Tim Fuchs)在一份新聞稿中表示:「一個世紀以來,科學家們一直試圖理解引力和量子力學如何協同工作,但都以失敗告終。現在我們已經成功測量了有史以來最小質量的引力信號,這意味著我們離最終理解它如何協同工作又近了一步。從這裡開始,我們將使用這項技術逐步縮小重力源,直至達到量子世界的層次。」

與量子世界中的許多重大突破一樣,這項實驗也需要將溫度控制在極低水平——只比絕對零度高出一百分之一度。這樣的低溫搭配超導裝置,可以讓實驗樣本懸浮在空中。據新聞稿指出,得益於「先進的振動隔離」技術,敏感的實驗儀器得以偵測到極微弱的拉力,只有30 atto-newtons(aN),相當於十億分之十億分之一牛頓(類似於atto-second是十億分之十億分之一秒)。如果科學家能持續深入探索引力測量的極限,他們可能很快就會進入量子領域。

「我們利用極低溫度和隔離粒子振動的裝置所開發的新技術,很可能指明了測量量子引力的新方向,」南安普敦大學的亨德里克·烏布利希(Hendrik Ulbricht)教授,也是該研究論文的共同作者,在新聞稿中表示,「解開這些謎題將有助於我們進一步理解宇宙的基本結構,從最細微的粒子到最宏大的宇宙結構。」◇#

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