餐桌上的重力实验为什么微小的测量可能是物理学的一大飞跃

就在一个多星期前，欧洲物理学家宣布他们已经测量了有史以来最小规模的重力强度。在一项巧妙的桌面实验中，荷兰莱顿大学、英国南安普顿大学以及意大利光子学和纳米技术研究所的研究人员测量了质量略低于半毫克的粒子上约30阿托牛顿的力。阿托牛顿是力的标准单位牛顿的十亿分之一。

研究人员表示，这项工作可以“解开有关宇宙结构的更多秘密”，并且可能是迈向下一次物理学大革命的重要一步。

但这是为什么呢?这不仅仅是结果：它是方法，以及它所说的关于科学批评家的一个分支的前进道路，他们认为可能陷入成本上升和回报递减的循环。

重力

从物理学家的角度来看，引力是一种极其微弱的力。这似乎是一件奇怪的事情。当您早上起床时不会感到虚弱!

尽管如此，与我们所知的其他力相比——例如负责将原子结合在一起并产生光的电磁力，以及结合原子核心的强核力——引力在物体之间产生的吸引力相对较弱。

在较小的尺度上，重力的影响变得越来越弱。

对于恒星或行星大小的物体，很容易看到重力的影响，但检测小而轻的物体的重力影响要困难得多。

需要测试重力

尽管有困难，物理学家确实想在小尺度上测试重力。这是因为它可以帮助解决当前物理学中的一个世纪之谜。

物理学由两种极其成功的理论主导。

第一个是广义相对论，它描述了大尺度的引力和时空。第二个是量子力学，它是小尺度粒子和场(物质的基本组成部分)的理论。

这两种理论在某些方面是矛盾的，物理学家不明白在两者都适用的情况下会发生什么。现代物理学的一个目标是将广义相对论和量子力学结合成一种“量子引力”理论。

需要量子引力的情况的一个例子是充分了解黑洞。这些是广义相对论所预测的——我们已经在太空中观察到了巨大的黑洞——但微小的黑洞也可能在量子尺度上出现。

然而，目前我们不知道如何将广义相对论和量子力学结合起来来解释引力以及黑洞如何在量子领域发挥作用。

新理论和新数据

量子引力势论的多种方法已经被开发出来，包括弦理论、圈量子引力和因果集合论。

然而，这些方法完全是理论上的。我们目前没有任何方法通过实验来测试它们。

为了对这些理论进行实证检验，我们需要一种在量子效应占主导地位的非常小的尺度上测量引力的方法。

直到最近，执行此类测试还是遥不可及的。看来我们需要非常大的设备：甚至比世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机还要大，它发射高能粒子，在27公里的环路中快速旋转，然后将它们粉碎在一起。

桌面实验

这就是为什么最近的小规模重力测量如此重要。

荷兰和英国联合进行的实验是一个“桌面”实验。它不需要大型机械。

该实验的工作原理是让一个粒子漂浮在磁场中，然后将一个重物摆动经过它，看看它如何“摆动”响应。

这类似于一颗行星掠过另一颗行星时“摆动”的方式。

通过用磁铁使粒子悬浮，可以将其与许多使检测微弱引力影响变得如此困难的影响隔离开来。

像这样的桌面实验的优点在于它们不需要花费数十亿美元，这消除了进行小规模重力实验的主要障碍之一，并有可能在物理学方面取得进展。(大型强子对撞机的更大后继设备的最新提案将耗资170亿美元。)

要做的工作

桌面实验非常有希望，但仍有工作要做。

最近的实验接近量子领域，但还没有完全实现。所涉及的质量和力需要更小，才能了解重力在这种规模上的作用。

我们还需要做好准备，桌面实验可能无法进行到这一步。

可能还存在一些技术限制，阻止我们在量子尺度上进行重力实验，从而迫使我们建造更大的对撞机。

回到理论

还值得注意的是，一些可能通过桌面实验进行测试的量子引力理论非常激进。

一些理论，例如圈量子引力，表明空间和时间可能在非常小的尺度或高能量下消失。如果这是正确的，那么可能无法进行这些规模的实验。

毕竟，我们所知道的实验是在特定地点、特定时间间隔内发生的事情。如果这样的理论是正确的，我们可能需要重新思考实验的本质，这样我们才能在空间和时间都不存在的情况下理解它。

另一方面，我们可以在小尺度上进行涉及重力的简单实验，这一事实可能表明空间和时间毕竟是存在的。

哪个将被证明是正确的?找出答案的最佳方法是继续进行桌面实验并尽可能地推动它们。