物理学家尚未测量最小群众之间的重力

物理学家Markus Aspelmeyer生动地记得这一天，近十年前，他的实验室宣布了他的办公椅的引力，无法衡量。可测量与否，这种力肯定应该存在。自从1687年的Isaac Newton的工作以来，物理学家已经理解了重心是普遍的：每个物体都施加了与其肿块成比例的引力。访客的评论旨在带来越来越幻想的谈话，而维也纳大学教授Aspelmeyer将其视为挑战。 “我的决议是”好的，我不仅要衡量这把椅子的引力领域，但我们要去小，小而小！“他回忆起。

那天出生的研究努力现在制作了它的第一个结果：对两个小金球之间的重力测量，每个芝麻种子的大小和称重四大的大米 - 最小的重力的群众被测量到日期。今天出版的结果，将物理学家迈出了一个近距离调整重力与量子力学的遥远目标的一步，这是所有非商物的理论。

很难努力，重力是多么弱的重力。另一个球体的引力拉动（“源极质量”）（“测试质量”）几毫米远超过落雪花的力小于10百万倍。 Aspelmeyer团队面临的中央挑战是设计一个对这种引力的探测器，对这种引力敏感而且对大量的背景力推动和拉动来自各个侧面的测试质量完全不敏感。

研究人员使用称为扭转摆的探测器实现了这种敏感性，这些探测器看起来像一个悬挂在儿童婴儿床上方的移动的微型版本。测试质量球固定在薄棒的一端，通过四微米厚的石英纤维悬浮在其中点。杆的另一端相同的球体充当配重。测试质量上的力使得扭转摆动旋转，直到通过纤维的扭曲通过恢复力平衡。这种薄纤维非常符合，因此即使是非常弱的力也产生相对大的旋转。批判性地，扭转摆在远处物体中非常不敏感，在远处物体中拖动在测试质量并使逆向上拖动，因此不会引起旋转。

但即使这个聪明的扭曲摆锤也没有完全将测试质量与白天维也纳的繁忙城市环境分离出来。 “甜点派上总是在午夜和下午5点之间，当没有人在街上时，”aspelmeyer解释道。 “[但]星期五或周六不是真的。”

为了测量源极质量的重力，研究人员并没有简单地将其靠近测试质量。相反，他们连续地前后移动了几毫米的平均分离。这种技术称为调制，在转弯信号的设计中隐含，闪烁的自行车灯：常规，周期性信号比恒定的背景噪声更容易可见。果然，科学家们以恰当的右频率观察到振荡力。然后，它们多次重复该过程，改变质量之间的平均分离，并且测量的力小于2.5和5.5毫米之间的分离时的10毫无毫无福音。该团队将这些测量与牛顿着名的反向平方重力进行了比较，这描述了两个物体之间的引力力如何取决于它们的分离：数据与牛顿定律一致，以内10％。

“[那]你可以确定这些真的，真的，真的，真的很小的力量 - 我认为这是非常惊人的，”国家标准和技术研究所的物理学家斯蒂芬斯施列格斯说，他们研究重力但没有参与工作。

但Aspelmeyer和他的同事们尚未宣布胜利：他们仍然不得不排除源大规模调制在测试质量上产生其他力的可能性，这些力将以精确相同的频率振荡。支撑实验装置的桌子的周期性摇摆，由源肿块的几乎可见运动导致的反冲引起的，只是研究人员必须仔细量化的混杂器之一。最后，他们发现所有已知的非投资力量比重力相互作用小至少10倍。

Aspelmeyer认为，改善的扭转摆在比单个睫毛更轻的仍然较轻的块状5000倍的重力敏感。他的最终目标是通过实验测试重力的量子性质，这是一个近一个世纪物理学家的问题。量子力学是所有科学中最成功且精确的测试理论之一：它描述了从子原子粒子的行为到使现代计算成为可能的半导体物理的一切。但是，通过矛盾和荒谬的预测，反复延迟发展量子的重力理论。

量子力学描述的颗粒以非常反向的方式行为。最奇怪的量子行为之一是一种称为纠缠形式的特殊形式：当两个颗粒变得缠结时，它们的姓氏变得无奇力地连接，并且它们不能单独描述。在非常小的和孤立的系统（如原子和分子）中，缠绕和其他量子效应最突出，它们在重力相关的较大尺度上变得越来越脆弱。直到最近，量子重力的测试似乎远远超出了实验室规模实验的范围。

但过去几年已经看到了在更大的系统中辨别出微妙的量子效应的显着实验进展。在2017年底，两组理论物理学家独立地提出了一个雄心勃勃但可能可实现的实验，可能对重力的量子性质作出明确的陈述。努力测量重力是否可以缠结两个量子颗粒。如果是这样，“在某种意义上，没有逃避这一事实，无论如何，牛津大学理论物理学家Chiara Marletto表示，他与她的牛津同事vlatko veDral共同撰写了其中一项提案。

观察重力诱导的纠缠将是开创性的。但是，重力是量子力学的结论性示范需要证明两颗颗粒仅通过重力互动。 Aspelmeyer在逐渐较小的肿块之间隔离引力的努力是对如此明确测试的关键步骤。 “由于量子从小到大，因此有一个引力和量子的机会，在中间的某个地方见面，”伦敦大学学院理论物理学家Sougato Bose说，他们共同写下了九个合作者的其他提案。

“对重力的问题是根本上的量子表现为一个实验问题，”aspelmeyer说。 “我们迫不及待地等待整个九个院子，看看事情是如何结果。”