我们习惯于在大质量的背景下思考引力——行星的旋转、黑洞不可阻挡的引力。
但任何有质量的物体，无论多小，都会对其他物体施加引力。
然而，存在一个预期的前沿，广义相对论如此优雅地描述的经典动力学必须以某种方式与量子力学的美丽混沌相协调。
我们如何找到这个边界？通过尝试在越来越小的尺度上测量引力相互作用，不断完善技术，希望有一天我们能够一睹其中的奥妙。
现在，以中国中山大学杨善庆为首的物理学家宣布了一个新的里程碑——测量迄今为止最小的一对质量（每块重量仅为 7.6 毫克的硅片）之间的引力。
确实如此，他们在发表于的一篇论文中写道 自然通讯“这是连接经典引力场和量子引力场的重要一步。”
广义相对论和量子理论是在不同尺度上数学描述宇宙行为的两种不同方式。
相对论将引力描述为连续时空结构的曲率，而量子力学则使用概率数学描述物质和能量的行为。
这两种理论在各自的领域都取得了巨大的成功，但它们的数学框架并不完全吻合，导致物理学家无法完整地描述量子效应发挥作用时引力的行为方式。
为了找到进入这种状态的一扇门，物理学家近年来转向了 18 世纪英国科学家亨利·卡文迪什 (Henry Cavendish) 著名的一项实验，该实验可以将相对较小质量之间的引力与地球压倒性的引力隔离开来。
卡文迪什实验包括一个扭力天平，水平悬挂杆的每一端都附有铅重，附近还有较大的铅重。
附近的重物与杆上的重物之间的吸引力导致杆旋转，扭曲悬挂它的金属丝，使卡文迪什能够根据金属丝扭曲的程度来测量万有引力。
2021 年，一组物理学家描述了当时最轻的卡文迪什演示——测量两个微小金球之间的引力，每个金球重约 92 毫克。
而且，他们在论文中提出了进一步挑战极限的挑战。
杨和他的同事显然接受了。
他们的卡文迪什实验版本具有一些特殊的天赋。
研究人员使用一种称为深硅蚀刻的技术制作了一个微型扭力天平，在悬挂杆的一端装有一块仅重 7.6 毫克的微型硅片，另一端装有配重。
用于测量两个 7.6 毫克硅片之间引力的微型扭力天平和转轮示意图。该轮承载着 16 个连续通过测试质量的晶圆，产生重复的引力牵引力。 （安等人， 自然通讯2026)
但该团队并没有在附近放置一个质量来施加引力，而是建造了一个旋转轮，并在其圆周上排列了 16 个相同的硅片。
当轮子转动时，每个晶片相继经过靠近测试质量的地方，施加微小的引力。
轮子每 10 分钟旋转一圈，这意味着每旋转一圈，引力拖拽就会重复 16 次——这是一个清晰的重复信号，研究人员可以将其与背景噪音区分开来。
整个装置被封闭在真空室中，用一层薄薄的镀金硅膜将旋转质量与扭力平衡分开，以尽量减少静电力的干扰。
研究人员并没有让天平自由扭转，而是使用电子反馈系统使其几乎完全静止，测量抵消万有引力所需的力。
当他们观察扭力天平上的扭矩时，他们发现了与牛顿预测一致的万有引力，包括在最接近的距离下计算出的一分钟拉力仅为 471 阿托牛顿，即 0.000000000000000471 牛顿。
就上下文而言，这比将 1 毫克沙粒固定在地球表面的引力弱约 200 亿倍。
研究人员发现，即使在这些几乎是天文数字的微小尺度上，牛顿万有引力定律仍然成立。
通过测量，他们甚至能够计算出引力常数 (G)，得出的值与国际推荐值一致，不确定度为 5.3%。
需要明确的是，这与量子引力还相去甚远。但这比我们之前迈出了重要的一步。
为了更接近这一目标，物理学家正在开发一系列技术来测量更小尺度的重力，从杨氏的扭力天平到利用光或磁场悬浮微小物体的系统。
每种方法都有其自身的挑战，特别是需要消除干扰并保留所研究物体的微妙量子态。
最终的目标是测量行为受量子力学控制的物体之间的引力，看看引力本身是否具有量子特性。
这些不同的方法共同带来了这样的测量可能实现的希望。
杨和他的同事写道：“这些方法的不断进步，每种方法都在不同但日益重叠的质量体系中运行，有望在可预见的未来观察到量子态物体之间的引力相互作用。”
该研究发表于 自然通讯。
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