科學(xué)家測定了兩個芝麻大小的小金球之間的萬有引力。｜Tobias Westphal, University of Vienna

　　作者｜李存濮 重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授

　　引力是自然界的一種基本力，它無處不在，實際卻非常微弱。比如，你可以感受到2.5米之外另一個人的萬有引力嗎？恐怕很難。

　　不過最近科學(xué)家們測量到了與此同樣微弱的引力效應(yīng)——兩個芝麻大小的小金球之間的萬有引力。這是人類迄今測量到的最微弱的引力作用。

　　萬有引力：無處不在，卻微乎其微

　　狂熱的粉絲為了增強(qiáng)自己與偶像之間的相互吸引，可以把自己變成二百多斤的大力士，再瘋狂拉近與偶像的距離。為了偶像，粉絲們在各種地方與人辯論、爭執(zhí)，畢竟他們與偶像的每一個細(xì)胞都在相互吸引——任何試圖屏蔽這一吸引的努力都是徒勞的。直到有人問他們，他們與偶像細(xì)胞之間的引力到底有多大？

　　細(xì)胞與細(xì)胞之間的萬有引力當(dāng)然可以通過公式方便地計算出來，但要用實驗測量到數(shù)據(jù)卻很難。沒錯，盡管人們早就可以測出巨大星體之間的萬有引力，但微小物體之間引力的測量仍然格外困難。

　　人們早就可以測出巨大星體之間的萬有引力，但微小物體之間引力的測量仍然格外困難。｜Nature

　　其中原因有以下三點：

　　一是隨著物體尺寸和質(zhì)量減小，彼此之間的引力會急劇衰減。即使在高精度的實驗室，也極難測量微小物體之間的相互吸引。

　　二是萬有引力無處不在，且無法被屏蔽。這意味著一個待測量的小物體同時會受到無數(shù)物體的吸引，比如實驗室外跑過的一條單身狗，都會對小物體產(chǎn)生難以忽略的引力波動，進(jìn)而干擾實驗。

　　三是由于引力實在太小，必須徹底排除各類干擾因素才能得到有意義的結(jié)果。干擾因素包括實驗裝置附近空氣分子的隨機(jī)碰撞、前面提到的實驗室外運動物體引起的引力波動、環(huán)境電磁波帶來的靜電相互作用、空間中的各種振動（說話聲、鍵盤的敲擊聲、經(jīng)過的地鐵）等等。

　　由于上述三個原因，在今年3月以前，人們只能測定厘米尺度物體之間的萬有引力，對尺寸在1毫米以內(nèi)物體之間的萬有引力仍然無能為力，更遑論0.01 毫米大小的細(xì)胞了。

　　測量微小物體之間的萬有引力需要排除各種干擾因素。

　　不過尺度終于得到了縮小。在2021年3月《自然》雜志發(fā)表的一項研究中，奧地利維也納大學(xué)的科學(xué)家設(shè)計了精妙的實驗，成功測定了兩個芝麻大小的小金球之間微弱的萬有引力。

　　測量兩個“芝麻”的微弱引力

　　實驗中測量的小金球半徑約1毫米，質(zhì)量只有約90毫克，彼此距離數(shù)毫米，其引力相當(dāng)于站在2.5米外的一個人的吸引力。

　　如下圖所示，為了測量兩個小金球s和t之間的萬有引力，研究人員利用一種精巧的結(jié)構(gòu)——扭秤，將微弱到難以測量的引力轉(zhuǎn)化為更為明顯的光線偏轉(zhuǎn)。他們用石英纖維吊著一根細(xì)桿，細(xì)桿兩端放置著要測量的球t和用來平衡它的球a。這時如果用球s靠近球t，它們之間的萬有引力會讓石英纖維產(chǎn)生扭動，來自光電管的反射光線也會隨之偏轉(zhuǎn)。通過檢測偏轉(zhuǎn)的情況，即可測量球s與球t之間的萬有引力。

　　實驗用精巧的扭秤裝置測量兩個微小物體（球s和球t）之間的引力。

　　此次實驗裝置成功克服了前面提到的微小物體引力測定的三個難點。

　　對于困難1，力太小而難以測定，得益于現(xiàn)有物理學(xué)和電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，球t在納米尺度的位移可以被檢測到，從而測量精確到10-15 牛頓的力。

　　對于困難2，研究人員選擇了交通不太繁忙的圣誕節(jié)假期進(jìn)行實驗（手動狗頭，以及這似乎暗示了學(xué)物理的沒有假期這一現(xiàn)狀），以減少外界車流等帶來的引力波動。

　　對于困難3，則采用了一系列屏蔽手段：比如采用鍍金的鋁片屏蔽球t和球s之間可能產(chǎn)生的電荷分布不均；將整個裝置放入抽真空的法拉第屏蔽籠，以減少氣體分子運動和外界電磁波帶來的影響；將裝置安置在有彈性的橡膠支架上，以避免環(huán)境振動帶來的誤差。

　　更為關(guān)鍵的是，研究人員找到了一種方法，來放大微小的引力相互作用，從嘈雜的噪聲中識別出信號。

　　找到有效方法從嘈雜的噪聲中識別出信號，是此次實驗成功的關(guān)鍵。｜來自網(wǎng)絡(luò)

　　由于兩個小金球之間的引力作用實在太弱，盡管10-15 牛頓的力都可以偵測到，但各類環(huán)境變化均有可能導(dǎo)致石英纖維發(fā)生偏轉(zhuǎn)——這使得我們想要獲得的引力信號難以凸顯，很可能淹沒在嘈雜的噪聲中。

　　為了解決這一問題，研究人員并不固定球s，而是讓球s周期性地靠近和遠(yuǎn)離球t。在球s不斷靠近-遠(yuǎn)離t的過程中，球t的位移信號被記錄下來。之后對信號進(jìn)行一點點簡單的“變換”，就可以去掉隨機(jī)噪聲的干擾。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，球t感知到的周期性的力恰好與球s周期性的運動頻率一致。這說明實驗成功將t與s的萬有引力從眾多干擾中分離了出來，萬有引力F自然而然被成功計算。

　　由于t與s的質(zhì)量可以輕松準(zhǔn)確測定，結(jié)合前面測定的萬有引力F，就可以計算出引力常數(shù)G。通過在圣誕節(jié)假期多次重復(fù)試驗，研究人員測定得到的G的平均值為與目前公認(rèn)的數(shù)值誤差不超過10%，證實了這一方法用來測定微小物體之間的萬有引力是可靠的。

　　萬有引力來自量子糾纏？

　　從17世紀(jì)，牛頓被蘋果砸中之后，就開始思考物體之間的相互吸引。到了20世紀(jì)，愛因斯坦的相對論讓人們認(rèn)識到，物體的引力會讓周圍時空彎曲。同時期誕生的量子力學(xué)雖能精確描述微觀世界，卻無法解釋引力。

　　人們由此猜測，引力或許并不是根本的，而是從更基礎(chǔ)的量子糾纏中產(chǎn)生。

　　根據(jù)愛因斯坦的相對論，物體的引力會讓周圍時空彎曲。｜Arkitek Scientific

　　所謂量子糾纏，是指系統(tǒng)中的多個微觀粒子會形成一個整體，觀測其中一個粒子，就可以立刻知道另一個粒子的狀態(tài)，不受空間距離影響，瞬間發(fā)生，因而被稱為“鬼魅般的超距作用”。

　　量子糾纏被稱為“鬼魅般的超距作用”。引力可能從量子糾纏中產(chǎn)生。｜來自網(wǎng)絡(luò)

　　但如何驗證萬有引力與量子糾纏的關(guān)系呢？必然需要準(zhǔn)確測定微觀粒子之間的萬有引力。

　　這很難，畢竟前述的三個困難是擺在科學(xué)家面前的三道鴻溝。最近這項研究則拉近了這一鴻溝，給出了一系列放大信號、減少干擾的通用策略，來測量微小物體之間的微弱引力。

　　而在進(jìn)入量子尺度之前，當(dāng)然還可以再走近一步：比如先測定粉絲們與偶像細(xì)胞之間的萬有引力，試著找找他們之間的量子糾纏。

　　注：上述內(nèi)容為粉絲行為，請不要上升到偶像。

　　編輯｜陳天真

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] Westphal, T., Hepach, H., Pfaff, J. et al. Measurement of gravitational coupling between millimetre-sized masses. Nature 591, 225–228 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03250-7

　　[2] Cavendish, H. 'Experiments to determine the Density of the Earth', Philosophical Transactions of the Royal Society of London, (part II) 88 p.469-526