量子引力有助於幫助物理學家最終將量子力學與廣義相對論結合起來

引力是我們日常生活中最熟悉的一種力 它使我們的腳緊貼地面 也使月球圍繞地球旋轉 但是當我們進入微觀世界時 引力就變得難以捉摸 甚至與其他三種基本力 電磁力、強核力和弱核力不相容 這使得科學家們難以構建一個完整的量子引力理論 來解釋宇宙的奧祕 量子物理學是描述微觀尺度上的物理現象的理論 它可以很好地解釋原子、分子、光子等粒子的行爲 量子物理學的一個重要特徵是 它允許存在不確定性和概率性 即粒子的屬性在沒有觀測之前是不確定的 只有在觀測時纔會呈現出特定的狀態 愛因斯坦的廣義相對論 是描述宏觀尺度上的物理現象的理論 它可以很好地解釋引力的本質和作用 廣義相對論的一個重要特徵是 它將引力視爲時空的彎曲 即物質和能量會影響時空的幾何形狀 而時空的幾何形狀又會影響物質和能量的運動 量子物理學和廣義相對論都是20世紀初發展起來的 它們各自在自己的領域取得了巨大的成功 也通過了許多實驗的檢驗 然而當我們試圖將它們結合起來時 就會出現矛盾和困難 這是因爲量子物理學和廣義相對論 所依賴的數學框架和物理假設是不一致的 它們對於物理現實的理解也是不同的 爲了解決這個問題 科學家們一直在尋找一種量子引力理論 即一種能夠同時描述微觀和宏觀尺度上的引力的理論 也就是一種能夠將量子物理學和廣義相對論統一起來的理論 這樣的理論不僅可以解釋引力的本質 還可以揭示宇宙的起源 黑洞的內部 暗物質和暗能量的性質等重大的科學問題 然而要找到這樣的理論並不容易 因爲要在微觀尺度上測量引力是非常困難的 這是因爲引力相比其他三種基本力來說是非常微弱的 它只有在大量的物質和能量聚集在一起時纔會顯現出來 而在微觀尺度上 引力的效應幾乎可以忽略不計 被其他力所掩蓋 不過最近一個由來自南安普頓大學 萊頓大學和光子學與納米技術研究所的科學家組成的國際研究小組 利用一種新的技術 成功地在微觀尺度上探測到了引力的信號 這項研究發表在《自然》雜誌上 被認爲是在尋求量子引力理論的過程中邁出了重要一步 我們的團隊成員南安普頓大學的蒂姆·福克斯博士 在一份聲明中說 一個世紀以來 科學家們一直試圖理解引力和量子力學是如何協同工作的 但都以失敗告終 通過理解量子引力 我們可以解開宇宙中的一些謎團 比如宇宙是如何開始的 黑洞內部發生了什麼 或者將所有的力統一到一個大理論中 爲了測量微觀尺度上的引力 研究人員使用了一種超導磁性陷阱 將兩個微小的金屬球懸浮在空氣中 這兩個金屬球的直徑分別爲0.15毫米和0.5毫米 質量分別爲90微克和580微克 這兩個金屬球之間的距離爲0.2毫米 相當於頭髮絲的直徑 爲了減少其他力對實驗的干擾 研究人員將實驗裝置放在一個真空室內 並將溫度降低到攝氏零下273度 即絕對零度 絕對零度是物理學中的一個理想化的溫度 它表示所有原子運動停止的狀態 在這樣的低溫下 金屬球的振動也會減少到最小 從而使引力的效應更容易被觀測到 研究人員利用一種精密的光學儀器 測量了兩個金屬球之間的引力 他們發現當兩個金屬球相互靠近時 它們會受到一個微弱的吸引力 這個力的大小爲30阿託牛頓 阿託牛頓是一種力的單位 它相當於0.000000000000003牛頓 爲了讓你瞭解這個力有多小 我們可以舉一個例子 如果你把一根頭髮絲剪成一千份 然後再把其中一份剪成一千份 你就得到了一根縱約一微克的頭髮絲 如果你用這根頭髮絲去拉一個一公斤的物體 你需要的力就是一阿託牛頓 這是有史以來第一次在微觀尺度上 測量到引力的信號 也是有史以來測量到的最小的引力信號 這一成果不僅展示了一種新的測量引力的方法 也爲進一步探索引力和量子力學的關係 提供了一個新的平臺 我們的團隊成員 南安普頓大學的亨德里克·烏爾布里希特博士說 這項實驗爲更小質量的測試 以及更小引力的測量鋪平了道路 我們正在挑戰科學的極限 這可能會帶來關於引力和量子世界的新發現 我們的新技術使用極低的溫度和設備 來隔離粒子的振動 這很可能會成爲測量量子引力的未來方向 他總結說 揭開這些謎團 將有助於我們解開宇宙結構的更多祕密 從最微小的粒子到最宏大的宇宙結構