小到不能再小，物理學家測出有史以來最小引力，究竟有多小？

最小的引力的測量

微小尺度的引力

量子尺度的引力長期以來一直是物理學的一個謎，但事情可能開始發生變化。

物理學家測量了有史以來最小的引力場，這一實驗可能有助於探尋統一物理學的理論。

在物理學已知的四種基本力中——弱相互作用和強相互作用、電磁力和萬有引力——只有萬有引力沒有被整合到稱為標準模型的物理學模型中，這一物理模型描述了亞原子粒子的運動規律。相反，引力是由愛因斯坦的廣義相對論描述的，但隨著這一理論在量子尺度上的矛盾，我們最好將宇宙一分為二地討論。

因此，物理學仍然無法描述引力如何在亞原子尺度上發揮作用，這讓物理學家在理解——為什麼位於黑洞中心的奇點引力的強度比其他所有力都弱得多時感到十分困惑。

但是，一項新的實驗測量了兩個直徑僅2毫米的微小金球之間的微小引力，這可能是許多實驗中的第一個，為了解引力如何在這些尺度上運作提供了思路。

“這是一個概念驗證實驗，旨在建立一個能夠測量非常小的加速度的感測器，並建立一種允許我們檢測甚至更小的引力的方法，”該研究的負責人之一，維也納大學的博士生傑裡邁亞斯·普法夫告訴《生活科學》。“從長遠來看，我們想知道疊加態下量子物體的引力場是什麼樣的，但在這個過程中還有很多實驗證明要做，”普法夫說，他指的是同時處於兩種量子狀態的亞原子粒子受到的引力。

為了弄明白重力在小尺度下是如何工作的，研究人員使用了一個微型的扭秤——這是一種由英國科學家亨利·卡文迪許在1798年首次發明的裝置，用來測量地球的密度，並由此測量重力加速度g的大小。

扭有著一根水平的杆，由一根線懸掛在它的中心，線的兩端各有兩個質量塊——金球。這意味著，如果沿著杆的水平軸方向施加一個微小的力，懸線就會扭曲，科學家可以根據杆旋轉的程度來測量施加的力。透過將第三個金球與連線在棒末端的一個金球靠近，研究人員能夠測量它和連線的金球之間的重力。

研究人員要尋找的力很小。大概為9 × 10的負14次方牛頓，這將是三分之一的人類血細胞在地球重力場中經歷的力。因此，該實驗需要極其靈敏的裝置，研究人員必須最大限度地減少外部噪音對於實驗的影響，確保裝置上沒有雜散電荷，並找到一種可靠的方法來發現所需的訊號。

“城市的環境也很不理想，”普法夫說。“令人震驚的是，我們不僅對小地震的微小波動敏感，而且對當地的有軌電車和公共汽車也很敏感。我們甚至能夠在資料中看到維也納市的馬拉松賽。”

實驗人員在將儀器放入真空中之前，用離子化的氮氣充滿儀器周圍的區域，以消除任何雜散電荷。他們還透過非常緩慢地將兩個球體移近和移遠，使他們正在尋找的微小引力訊號更加突出。

就像閃爍的光比恆定的光更容易被注意到一樣，球體之間不斷增大和縮小的引力比它們靜止時更容易被發現。這使得研究人員能夠找到兩個球體之間的引力強度，也找到了他們自己對引力常數的測量方法。

到目前為止，在他們測量的尺度上，重力遵循著與大尺度相同的可預測規則。物理學家們現在希望讓他們的實驗更加靈敏，這樣他們就可以在更短的距離內從至少輕1000倍的質量中拾取更小的訊號。這可能為解釋大小尺度引力的理論提供重要線索，以及對暗物質存在等其他奧秘的見解，暗物質是一種神秘的物質形式，不發光，但卻產生引力。

在更小的尺度上，研究人員可以開始檢測物質透過重力相互作用的全新方式——這些方式遵循量子世界更加奇異的規則。如果他們這樣做了，物理學可能最終開始彌合我們對宇宙的大圖和小圖之間的差距。

“擴大我們對這種難以捉摸的力量的瞭解，可能有助於我們收集線索，找到對我們的物理現實的更基本的理解，”普法夫說。

BY：Ben Turner

FY： 陳品懷

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