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自然界中，已知的四种基本力分别为：强核力（将夸克束缚在一起）、弱核力（支配了粒子的衰变）、电磁力（作用在带电粒子间）和引力（作用在拥有质量的物体之间）。上个世纪，物理学家将前三种量子力统一在一个被称为粒子物理学的标准模型的框架中。唯独没有被囊括在这个框架中的是引力，它由爱因斯坦提出的广义相对论所描述。 ○ 四种基本力。 到目前为止，广义相对论通过了所有实验和观测的检验，包括近几年最重大的发现：引力波。但是，这个描述引力的经典理论无法与量子力学统一在一起。尽管最有希望的统一理论——弦理论在数学上取得了非凡的成功，但还没有直接的实验可以检验该理论。因此，许多物理学家都致力于寻找新的实验方式，来验证引力在新的尺度下是否有效。 我们都知道引力遵从了所谓的平方反比定律（ISL），即两个物体间的引力正比于物体的质量，但反比于它们之间的距离的平方，这便是著名的“牛顿万有引力定律”。在弱引力场的非相对论性（物体的运动速度远小于光速）极限下，牛顿定律可以从广义相对论中推导出来。至少在实验上我们验证了，ISL在小于1毫米的距离下都是有效的。在量子理论中，这相当于说负责传递引力的引力子的质量为零。去年天文学家从引力波和电磁波观测到的中子星合并事件，为光速和引力波速度的区别做出了非常严格的限制，从而也限制了引力子质量的上界。因此，长距离下的引力相互作用已经被理解的相当的好。 但是，从严格的实验角度看，引力的本质在短距离尺度下并没有被很好的约束。特别是，一些替代的引力理论预期引力的ISL会在更小的尺度下失效。例如在1999年，N. Arkani- Hamed等人提出了一个有趣的模型，被称为大额外维度理论。该理论的一个有趣预言是，如果我们假设在电弱尺度下，引力的强度和其它基本力的强度一样，以解决粒子物理学的“等级问题”，那么如果额外时空维度的数量是两个，我们就能在亚毫米距离下观测到违反ISL的证据。在这个框架下的其它假设会导致在不同距离下观测到ISL的偏差。 当然，我们也可以把寻找ISL的偏差诠释为限制可能的非引力来源的新相互作用。 过去，已经有许多实验都致力于在不同的距离尺度下寻找偏离ISL的证据，但都没有发现异常。在最新的一项实验中，物理学家Christopher Haddock和他的同事在亚纳米尺度下，利用脉冲中子束来检验牛顿定律。 ○ ○ 物理学家通过中子散射实验，在纳米尺度下检验引力平方反比定律。如果平方反比定律被违反了，那么就会观测到散射中子的角分布的改变。| 图片来源：The NOP collaboration |
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