微小的钟摆可能揭示引力的秘密

从本质上讲，重力是一个谜。是的，我们可以谈论时空的曲率，也许还可以用拉伸的橡皮片来类比。但是我们不知道为什么质量会导致时空弯曲。

换句话说，在我们的引力理论中，物质是风景，时空既是演员又是舞台工作人员。但物质的行为是由量子力学描述的，量子力学将空间和时间视为给定的变量。对于量子力学来说，空间和时间是物质展示有史以来最好的舞台。我们如何让这两种理论只上演一出戏呢？

也许这就是为什么这两种理论根本不能融合在一起-没有一部剧可以有两个主演，对吗？多亏了一种新的实验装置，我们可能最终会找到答案，它可能会让引力和量子力学都发挥主导作用。

物理学家们认为，必须有可能将引力和量子力学结合起来：这是一种共同的理论，量子力学的甜汁和广义相对论略微让人费解的甘露就是从这个理论中流出的。问题是，理论是建立在数据的基础上的，我们几乎没有关于量子力学如何被重力修改(反之亦然)的数据。

量子力学和引力的观测同时重要，但由于规模的原因，观测是困难的。当支配量子力学的力很重要时，引力就非常弱。在天平的另一端，重力在很长的距离内占主导地位，而量子效应在这些距离上完全消失。这可能是黑洞唯一的视界提供了一个自然的实验，在那里你可以观察到量子力学与重力一起工作。幸运的是，附近没有任何黑洞可以让我们进行详细的观测。

另一种选择是创建我们自己的硬件，在那里我们可以直接观察到被重力改变的量子行为。除了技术上的困难，这也有不利的一面：引力效应在本质上是牛顿的，可能会受到地球质量分布变幻莫测的影响。需要一些一流的模型才能表明，任何观测到的与预测的偏差都是由于新物理造成的。然而，研究人员正在建立至少可以提供数据的实验。

我们怎么才能得到这些数据呢？从本质上说，我们需要一个巨大而巨大的物体，它对量子系统也有明显的影响。这正是研究人员正在创造的。这是一个钟摆，但不是普通的钟摆。

如果没有进一步的能量输入，普通的钟摆--绳子上的质量--会迅速减速到停止。即使在真空中，钟摆的弦也会弯曲和弯曲，使其动量消散。同样，绳子和质量之间的连接，以及绳子和支撑架之间的连接也会弯曲和弯曲。这些瑕疵不仅从摆动运动中吸收能量，而且通常在错误的时间将能量送回，从而改变钟摆的摆动运动。结果是钟摆的运动不是完全可预测的。这些瑕疵可能小得令人难以置信，但它们足以冲刷掉量子力学的影响。

为了制造出近乎完美的钟摆，研究人员将一个小硅盘(直径3毫米)焊接到一根精细的玻璃纤维上，然后再将其焊接到一块大玻璃块上。拉丝工艺和焊接是关键步骤。通过注意纤维是如何拉伸的，研究人员能够创造出高度均匀的5厘米长、直径1微米的纤维。焊缝(与胶水或夹具相反)提供的是一种不太柔韧的僵硬的附着物。为了让你知道这个钟摆到底有多好，一旦启动，它在15小时后仍然在运动，没有任何额外的能量。如果用胶水粘住，时间只有两到三个小时。

钟摆本身不是量子物体。但它是在重力和量子力学可以一起发挥作用的界面上运行的。钟摆的自然运动是由万有引力(在这种情况下是牛顿引力)给出的。但是硅片是一面很好的镜子：它可以被光推来推去。

基本的想法是，当镜子摆动时，它也会撞到光子并反射它们。这种反光使镜子猛烈一击。如果镜子朝着入射光移动，踢会减慢它的速度；如果镜子离开入射光，踢会加快它的速度。只有非常干净的机械振荡器才能观察到这一点，就像研究人员建造的那样。

这些相互作用的量子力学是非常清楚的，并且测量非常精确。振子的性质是由重力决定的，所以任何偏差都可能归因于与牛顿引力的偏差。正如我上面所说的，这将需要对整个系统的量子和重力方面进行一些非常好的建模。

在接下来的几年里，研究人员将建立光学装置，使他们能够用高精度的激光驱动和测量钟摆。在那之后，真正的乐趣将开始，我们可能会看到上升的光子与下降的引力子相遇。