杨山清教授团队精确测量了毫克级物体间的引力相互作用
近日，我院天琴中心杨山清教授团队在桌面实验中采用微型卡文迪什扭秤精确测量了两个毫克级硅片之间的引力相互作用，为探索引力的基本性质、连接经典与量子引力范畴迈出重要一步。相关成果以“Test of the gravitational interaction between milligram masses using a miniature torsion pendulum”为题，于2026年10月7日在线发表于国际期刊 Nature Communications（《自然·通讯》）。我院博士生安正杰同学为论文共同第一作者，杨山清教授为通讯作者。谭文海副教授、秦成刚副教授以及华中科技大学物理学院的董文粲博士等人也共同参与了本项研究工作。该工作得到国家自然科学基金委、中山大学、中山大学南昌研究院等单位的资助。
引力是自然界四种基本相互作用之一。尽管广义相对论和粒子物理标准模型已在各自领域取得了巨大成功，并得到大量实验检验。但如何将引力与量子理论统一起来、揭示引力的量子性质，仍是现代物理学面临的重要挑战。长期以来，引力实验的研究对象涵盖了从宏观天体到微观粒子等不同尺度，但小质量物体之间的引力相互作用，尤其是介观质量尺度上的引力效应，仍有待深入探索。近年来，实验研究已实现对约90毫克物体间引力相互作用的探测。然而，随着实验对象质量进一步减小，引力信号将更加微弱，如何有效抑制各种噪声干扰，成为实现更小质量尺度引力测量的关键挑战。
针对这一挑战，研究团队研制出微型卡文迪什型扭秤，并结合旋转质量调制技术和扭秤的静电弱控制技术，实现了两个约7.6 毫克硅片之间引力耦合的精确测量。为克服微型扭摆和源质量系统的精密制造与装配难题，团队采用等离子体深硅刻蚀技术，将微型扭摆与16重对称的源质量一体化加工成型，有效降低了传统加工和装配工艺引入的几何误差影响。为减小质量调制系统的干扰，将源质量设计为16重对称结构，通过旋转调制技术使源质量依次与检验质量（扭摆）相对，让待测的引力信号出现在16倍旋转频率处，有效避开基频干扰的同时，将待测信号频率移至扭秤最灵敏的频段，提高信噪比的同时，解决了国际同类实验中潜在系统误差的影响。
研究团队经过多年的持续攻关，在2σ的置信水平下，将扭秤对引力的测量不确定度降低至50 阿牛（1 阿牛 = 1×10-18 牛），达到国际先进水平。并系统测量了两个小物体间引力随间距的变化关系，在0.654至1.554 毫米的间距范围，测量结果在实验误差内与牛顿引力理论预期的一致。基于这些实验测量数据，团队获得了万有引力常数G = 6.67(35)×10-11 m3 kg-1 s-2（1σ），与国际数据委员会当前的最新推荐值（CODATA-2022）在实验不确定度范围内一致。此外，团队还基于实验数据对Yukawa型非牛顿引力偏离给出了初步约束，为未来采用扭秤技术在更小质量及更短作用程范围内开展实验检验展示了可能性。
综合来看，这项研究测量了毫克尺度物体之间的引力相互作用，代表着向连接引力的经典与量子范畴迈出的重要一步。尽管在更小质量、更短距离尺度上探测引力仍面临诸多技术挑战，但该工作为进一步研究更小质量系统间的引力相互作用奠定了实验基础，也为未来探索具有量子特性宏观系统之间的引力相互作用、以及检验引力可能的量子属性提供了新思路。
杨山清教授简介：https://spa.sysu.edu.cn/zh-hans/teacher/107
谭文海副教授简介：https://spa.sysu.edu.cn/zh-hans/teacher/156
秦成刚副教授简介：https://spa.sysu.edu.cn/zh-hans/teacher/2601
