理解引力：在納米尺度下尋找額外維度

自然界中，已知的四種基本力分別為：強核力（將夸克束縛在一起）、弱核力（支配了粒子的衰變）、電磁力（作用在帶電粒子間）和引力（作用在擁有質量的物體之間）。上個世紀，物理學家將前三種量子力統一在一個被稱為粒子物理學的標準模型的框架中。唯獨沒有被囊括在這個框架中的是引力，它由愛因斯坦提出的廣義相對論所描述。

四種基本力。

到目前為止，廣義相對論通過了所有實驗和觀測的檢驗，包括近幾年最重大的發現：引力波。但是，這個描述引力的經典理論無法與量子力學統一在一起。儘管最有希望的統一理論——弦理論在數學上取得了非凡的成功，但還沒有直接的實驗可以檢驗該理論。因此，許多物理學家都致力於尋找新的實驗方式，來驗證引力在新的尺度下是否有效。

我們都知道引力遵從了所謂的平方反比定律（ISL），即兩個物體間的引力正比於物體的質量，但反比於它們之間的距離的平方，這便是著名的「牛頓萬有引力定律」。在弱引力場的非相對論性（物體的運動速度遠小於光速）極限下，牛頓定律可以從廣義相對論中推導出來。至少在實驗上我們驗證了，ISL在小於1毫米的距離下都是有效的。在量子理論中，這相當於說負責傳遞引力的引力子的質量為零。去年天文學家從引力波和電磁波觀測到的中子星合併事件，為光速和引力波速度的區別做出了非常嚴格的限制，從而也限制了引力子質量的上界。因此，長距離下的引力相互作用已經被理解的相當的好。

但是，從嚴格的實驗角度看，引力的本質在短距離尺度下並沒有被很好的約束。特別是，一些替代的引力理論預期引力的ISL會在更小的尺度下失效。例如在1999年，N. Arkani- Hamed等人提出了一個有趣的模型，被稱為大額外維度理論。該理論的一個有趣預言是，如果我們假設在電弱尺度下，引力的強度和其它基本力的強度一樣，以解決粒子物理學的「等級問題」，那麼如果額外時空維度的數量是兩個，我們就能在亞毫米距離下觀測到違反ISL的證據。在這個框架下的其它假設會導致在不同距離下觀測到ISL的偏差。

當然，我們也可以把尋找ISL的偏差詮釋為限制可能的非引力來源的新相互作用。

過去，已經有許多實驗都致力於在不同的距離尺度下尋找偏離ISL的證據，但都沒有發現異常。在最新的一項實驗中，物理學家Christopher Haddock和他的同事在亞納米尺度下，利用脈衝中子束來檢驗牛頓定律。

物理學家通過中子散射實驗，在納米尺度下檢驗引力平方反比定律。如果平方反比定律被違反了，那麼就會觀測到散射中子的角分布的改變。| 圖片來源：The NOP collaboration

該團隊將中子脈衝射入充滿了氦氣或氙氣的腔室內，並檢測中子穿過氣體的時間和中子的散射角度。從這些測量中，他們利用計算機模擬重建了散射過程，發現散射角度的分布符合已知物理定律的預期。這個結果表明，在實驗的靈敏度範圍內，並沒有發現任何未知的力（修正引力或是其他類型的相互作用）在0.1納米以下的長度尺度上起作用。然而，研究人員只能確定這種力的強度的一個極大上限：引力的1024倍。雖然他們沒有發現任何違反ISL的證據，但這是目前在這個空間尺度下的最嚴格限制。

該團隊正在準備升級實驗設備，以減少雜訊來源並進一步的提升靈敏度，期待這項研究能夠最終幫助揭示——我們生活的空間是否僅限於三個維度。

參考來源：

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.97.062002

http://resou.osaka-u.ac.jp/en/research/2018/20180323_1

https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevD.97.062002

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