《Nature》：如何测两个毫米大小物体之间的引力！

万有引力是所有已知的基本力中最弱的，它向现代物理学提出了一些最重要的问题：它仍然抵制物理标准模型的统一，其基本概念似乎从根本上与量子理论相背而行。因此，在所有尺度上测试重力，是一项重要的实验工作。到目前为止，这些试验主要涉及的，是公斤量级及以上的宏观质量。

近日，来自奥地利科学院的Tobias Westphal &Markus Aspelmeyer等研究者，展示了两个半径为1毫米的金球体之间的引力耦合，从而进入了重力源低于100毫克的区域。相关论文以题为“Measurement of gravitational coupling between millimetre-sized masses”发表在最新Nature上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03250-7

在过去的几十年里，通过对大量天体及其动力学的观测，无数次实验证实了爱因斯坦的相对论，这是当前人类最好的引力理论。最近对两个黑洞合并产生的引力波的直接探测，和对一个特大质量黑洞的直接成像，使这种现象达到了顶峰。与此同时，地球上的实验对实验室尺度上的重力现象的灵敏度不断提高，包括广义相对论效应、等效原理的测试、牛顿常数的精确测量和牛顿定律在微米尺度距离上的有效性的测试等。尽管这些实验中的测试质量涵盖了从宏观物体到单个量子系统的所有范围，但引力源通常是地球或千克量级的质量或更大的质量。

与此形成对比的是，人们对研究源质量的量子态，所产生的引力现象越来越感兴趣，例如，以“量子卡文迪什实验”的形式。因为量子相干性，很容易因系统尺寸的增加而丢失，所以对于尽可能小的物体来说，将引力作为耦合力隔离是很重要的。

在给定的距离下，由半径为R的球形质量，产生的引力随着R^-3收缩，因此到目前为止，只有很少的实验观测到克级质量构型的引力特征。隔离由更小的单一源质量物体，产生的引力相互作用，是一项具有挑战性的任务，因为它需要越来越多的努力，来屏蔽其他加速度源的残留贡献，特别是地震和电磁特性。此外，谐振检测方案，通常用于放大高于读出噪声的信号，也放大位移噪声，因此在将信号与其他力噪声源分离方面，不会产生任何增益。

在此，研究者通过将含时重力加速度，与良好平衡的微分力学模式的非共振检测方案，和独立的噪声估计结合起来，克服了以上限制。这样，研究者就可以测量，单个质量小于100毫克源的引力场了。源质量位置的周期性调制，使研究者能够执行引力的空间映射。由于引力势的非线性，观测到线性耦合和二次耦合。该结果将重力测量的参数空间扩展到了小的、单源质量和低的引力场强度中。

图1 实验装置。

图2单次测量运行谱。

图3 引力的空间映射。

图4 多次测量运行的集合。

综上，该实验为进入和探索引力物理学提供了一条可行的途径，包括用孤立的微观源质量在普朗克质量或以下的引力进行精确的测试。这为确定牛顿常数提供了一种不同的方法，到目前为止，牛顿常数仍然是最不确定的基本常数。这项工作打开了，通往微观源质量未知前沿的道路，这将使基本相互作用的研究成为可能，并为探索引力的量子本质，提供了一条道路。（文：水生）