Quantum-enabled measurement of gravitational forces at the milligram scale
本文介绍了一项在毫开尔文温度下进行的突破性实验，该实验利用微波光力学系统成功测量了毫克级质量之间的引力，实现了灵敏度两个数量级的提升，并为研究涉及非经典运动态的引力相互作用建立了一个可行的平台。
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引力是让我们的双脚踩在地面上并维持行星运行轨道的力，然而它却是所有支配宇宙的基本力中最弱的一种。虽然我们了解引力如何在宏观尺度上塑造宇宙，但它在微观世界中的行为仍然是一个谜。这是因为微小物体之间的引力极其微弱，通常会被电力或磁力等更强的力量所掩盖。几十年来，科学家们一直致力于测量小质量物体之间的引力，但在物体遵循量子力学奇特规则的环境下，他们从未成功实现过这一目标。弥合宏观物理与微观物理之间的鸿沟是现代科学最大的挑战之一，而要做到这一点，需要测量出那些足以受到量子效应影响的轻量物体的引力牵引。
芬兰阿尔托大学的一个研究小组现在通过在高度受控的超低温环境下，成功测量了两个微型金球之间的引力，向这一目标迈出了重要一步。该实验涉及一个重达87毫克的源质量和一个重达1.3毫克的测试质量。为了使测量成为可能，研究人员将测试质量放置在一个由氮化硅制成的薄且具有柔性的薄膜上，这薄膜就像一个微型鼓面。整个装置被冷却到接近绝对零度的温度，在这种状态下，热抖动被降至最低，从而使微弱的引力信号得以显现。源质量是一个附着在振动杆上的金球，该杆上下移动的距离仅为几微米。随着金球的移动，其位置的变化对测试质量产生了一种微小的、有节奏的引力拉力，导致薄膜同步发生振动。
探测这种运动需要一种极其灵敏的方法，因为所涉及的力量处于阿托牛顿（attonewtons）量级，这是一个如此之小以至于难以理解的单位。研究人员使用了一种称为微波光力学（microwave optomechanics）的技术，即向包含该薄膜的超导腔内射入微波信号。振动薄膜的位置改变了这些微波的特性，使得团队能够以惊人的精度追踪薄膜的运动。通过仔细屏蔽实验免受电磁干扰和振动的影响，他们能够将引力信号从背景噪声中分离出来。数据显示，测试质量确实对源质量的移动做出了响应，其力的大小符合牛顿引力定律的预测。研究人员通过移动源质量到不同位置并观察力如何变化，证实了这一点，发现当球体靠近时，引力增强，这完全符合预期的引力相互作用。
这一成就代表了在测量微观尺度引力能力方面的重大飞跃，将以往实验的灵敏度提高了约一百倍。虽然所使用的质量仍足以被视为经典物体而非量子物体，但实验是在一个旨在最终支持量子态的环境中进行的。研究人员证明，他们的装置可以探测到质量在移动距离小于人类头发宽度的情形下所产生的引力影响。他们还排除了其他可能导致观测到的运动的原因，例如电场力或通过支撑结构传播的振动，方法是展示该信号仅在球体排列方式能使引力拉力最大化时出现，而在它们被移开时消失。
这项实验的成功为未来的研究打开了大门，届时所涉及的质量可以被置于真正的量子态中，例如叠加态（即一个物体同时存在于两个地方）。如果科学家最终能够测量处于此类状态的物体之间的引力，这可能会为引力如何与量子力学相互作用提供首个实验证据，并可能导致一个统一的宇宙理论。目前，该团队已经证明，测量毫克级物体之间的引力拉力具有高精度是可行的，将一个理论挑战转化为了现实。这项工作尚未解决量子引力的谜团，但它提供了必要的工具和信心，让我们能在实验室寂静、寒冷的深处继续寻找答案。
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