在微观水平上测量重力后，科学家们离发现量子引力理论更近了一步

诸平

Artist impression of the quantum experiment. Credit: University of Southampton

据英国南安普敦大学（University of Southampton, SO17 1BJ Southampton, UK）2024年2月23日提供的消息，在微观水平上测量重力后，科学家们离发现量子引力理论（quantum gravity theory）更近了一步（Scientists closer to finding quantum gravity theory after measuring gravity on microscopic level）。

在研究出如何在微观层面上测量引力之后，科学家们离揭开宇宙神秘力量又近了一步。专家们从未完全理解艾萨克·牛顿（Isaac Newton）发现的力，是如何在微小的量子世界中起作用的。即使是爱因斯坦（Einstein）也对量子引力（quantum gravity）感到困惑，在他的广义相对论（theory of general relativity）中，他说没有现实的实验可以证明量子引力。

但是现在，南安普顿大学的物理学家与欧洲的科学家合作，利用一种新技术成功地探测到一种微小粒子的弱引力。他们声称，这可能为发现难以捉摸的量子引力理论铺平道路。相关研究结果于2024年2月23日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——Tim M. Fuchs, Dennis G. Uitenbroek, Jaimy Plugge, Noud Van Halteren, Jean-Paul Van Soest, Andrea Vinante, Hendrik Ulbricht, Tjerk H. Oosterkamp. Measuring gravity with milligram levitated masses, Science Advances, 2024, 10(8). DOI: 10.1126/sciadv.adk2949. Published date: 23 Feb 2024. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk2949

参与此项研究的除了来自英国南安普顿大学的研究人员之外，还有来自荷兰莱顿大学莱顿物理研究所（Leiden Institute of Physics, Leiden University, P.O. Box 9504, 2300 RA Leiden, Netherlands）以及意大利国家研究委员会(National Research Council简称CNR)和布鲁诺·凯斯勒基金会（Fondazione Bruno Kessler）光子学与纳米技术研究所（Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, CNR and Fondazione Bruno Kessler, I-38123 Povo, Trento, Italy）的研究人员。这项发表在《科学进展》杂志上的实验，使用悬浮磁铁来探测小到足以接近量子领域的微观粒子的重力。

来自南安普顿大学的首席作者蒂姆·富克斯（Tim M. Fuchs）说，研究结果可以帮助专家们找到我们对现实图景中缺失的那块拼图。他补充说:“一个世纪以来，科学家们一直试图理解引力和量子力学是如何协同工作的，但都失败了。现在我们已经成功地测量了有史以来最小质量的引力信号，这意味着我们离最终了解它是如何协同工作的又近了一步。

从这里开始，我们将使用这种技术开始缩小源，直到我们到达两边的量子世界。通过理解量子引力，我们可以解开宇宙的一些谜团，比如它是如何开始的，黑洞（black holes）里发生了什么，或者把所有的力统一成一个大理论。”

科学仍未完全理解量子领域的规则，但人们相信，微观尺度上的粒子和力的相互作用与常规大小的物体不同。南安普顿大学的学者与荷兰莱顿大学和意大利光子学与纳米技术研究所（Institute for Photonics and Nanotechnologies in Italy）的科学家一起进行了这项实验。

他们的研究使用了一种复杂的装置，包括被称为陷阱的超导装置（superconducting devices），带有磁场、敏感探测器和先进的隔振装置。通过将一个0.43 mg大小的微小颗粒悬浮在比绝对零度高百分之一度的冰冻温度(约-273 ℃)中，它测量出了一个微弱的拉力，只有30 aN。

南安普顿大学的物理学教授亨德里克·乌布里希特(Hendrik Ulbricht)说，这些结果为未来更小的物体和力之间的实验打开了大门。他补充说道:“我们正在推动科学的边界，这可能会导致关于引力和量子世界的新发现。我们的新技术使用极冷的温度（extremely cold temperatures）和设备来隔离粒子的振动，这可能会证明测量量子引力（quantum gravity）的前进方向。解开这些谜团将帮助我们解开更多关于宇宙结构的秘密，从最小的粒子到最大的宇宙结构。”

本研究得到了欧盟地平线2020框架计划（European Union’s Horizon 2020 Framework Programme: 766900）、欧盟地平线欧洲EIC（European Innovation Council）开拓者项目（EU Horizon Europe EIC Pathfinder project QuCoM: 10032223）、英国工程与物理科学研究委员会（Engineering and Physical Sciences Research Council: EP/W007444/1, EP/V035975/1 and EP/V000624/1）、荷兰科学研究组织（Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek: OCENW.GROOT.2019.088）以及利华休姆信托基金（Leverhulme Trust: RPG-2022-57）的资助。

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Abstract

Gravity differs from all other known fundamental forces because it is best described as a curvature of space-time. For that reason, it remains resistant to unifications with quantum theory. Gravitational interaction is fundamentally weak and becomes prominent only at macroscopic scales. This means, we do not know what happens to gravity in the microscopic regime where quantum effects dominate and whether quantum coherent effects of gravity become apparent. Levitated mechanical systems of mesoscopic size offer a probe of gravity, while still allowing quantum control over their motional state. This regime opens the possibility of table-top testing of quantum superposition and entanglement in gravitating systems. Here, we show gravitational coupling between a levitated submillimeter-scale magnetic particle inside a type I superconducting trap and kilogram source masses, placed approximately half a meter away. Our results extend gravity measurements to low gravitational forces of attonewton and underline the importance of levitated mechanical sensors.