【Polytec】實驗室中的引力-雷射干涉技術如何挑戰自然界中最微弱的力量 發佈日期 2025-12-12
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從早期的擺錘實驗到最先進的振動技術 蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）Jürg Dual 團隊多年來一直致力於這項挑戰，利用最先進的雷射量測技術和巧妙的實驗設計，在國際上屢創標竿。
第一步：以振動樑作為「引力發射器」 在 2022 年的實驗中，研究團隊採用振動物理中的經典技巧：利用共振讓極弱的激振也能被量測到。在瑞士深山中的一座防護嚴密的地下實驗室裡，兩根約 1 公尺長的金屬樑被分別安裝在真空腔體中。其中一根樑被精準地振動，使其向另一個相鄰腔體中、調整至共振頻率的樑「發送」引力訊號。這些傳遞的作用力極其微小——位移量只有皮米級（十億分之一毫米）！ 此時，雷射干涉量測發揮關鍵作用：四組超高精度的雷射測振儀搭配鎖相放大器，能夠量測到偵測樑最微弱的顫動，將雜訊濾除並隔離真實信號。最終獲得的 G 值僅略高於國際參考值，並且透過先進的誤差分析展現出未來進一步改善的巨大潛力。 更值得注意的是，這種動態量測方法能有效減少傳統測量的典型誤差，例如周遭質量的影響。研究團隊首次能夠直接觀察引力「不只是靜態」的作用，而是在動態下的影響。
最新進展：以旋轉棒作為振盪來源（2023） 蘇黎世聯邦理工並未就此止步。在最新的 2023 年研究中，團隊更向前邁進一步：研究人員不再使用線性振動的金屬樑，而是採用了 兩根長度 0.5 公尺、纖細的旋轉鎢棒，並對稱地放置在一個可彎曲樑的共振偵測器周圍。 透過同步旋轉，這些鎢棒產生了動態的引力場，作用於機械上完全隔離的共振偵測樑上。與往常一樣，實驗在高真空、極致隔離、以及最大程度抑制非引力效應的環境中進行。
圖 2：實驗裝置照片說明： 旋轉的發射棒（紅色示意）位於發射腔體內部。整個發射腔體懸掛在彈簧上，並固定在一個可沿 y 方向移動的承載樑上。在偵測腔體內，偵測樑（藍色）以橡膠線懸掛，固定在其第一彎曲模態的節點位置上。偵測腔體則固定於防震平台上，以隔離樑與外界環境，並將非引力的力傳遞降到最低。偵測樑的位移由 三組雷射都卜勒測振儀（LDV） 進行量測，這些測振儀安裝在另一個同樣以彈簧隔離的獨立平台上。距離 d₀ 則可透過移動發射腔體來調整。整套實驗設備皆位於地下實驗室中，以確保極佳的溫度穩定性並將地震噪訊降至最低。
同樣地，研究團隊再次使用最先進的雷射干涉技術來量測共振器的微小位移。關鍵在於：為了使偵測樑達到最大激振效果，旋轉發射棒的轉動頻率被精準調整至偵測器自然共振頻率的二分之一或四分之一。 當所有參數——包括轉速、對準精度、溫度——都完美匹配時，量測結果也同樣完美：偵測樑的振動與經典引力理論的預測呈現驚人的一致性。 研究團隊並透過系統化的方法驗證，沒有任何其他干擾來源能解釋觀測結果——證明所量測到的訊號確實具有真正的引力來源。
圖 3：量測原理示意圖 此示意圖展示了量測裝置的原理：兩根旋轉棒（橘色）與一根偵測樑（藍色），其中偵測樑懸掛在其第一彎曲模態的節點位置上。旋轉棒產生一個作用於偵測樑上的動態引力場，示意圖中的彩色箭頭即為此力場的數值模擬結果（以距離 d₀ = 300 mm，轉角 φ₁,₂ = 98° 為例）。偵測樑的振動由三組**雷射都卜勒測振儀（LDV）**以光學方式進行量測，量測位置以紅色虛線標示。右側的色階條則表示在 xy 平面中的動態力場之引力力密度，單位為 nN/m。
結果：
最終測得的萬有引力常數為
這項全新的方法展現了一個重要突破：
雷射量測技術的角色 若沒有光學干涉技術——特別是**雷射測振儀（laser vibrometers）**的運用——這些開創性的量測根本無法實現。雷射測振儀所提供的靈敏度深入 次奈米等級，能夠即時偵測極微小的振幅。同時，干涉技術能精準排除不需要的訊號、補償環境影響，並支援自動化的資料處理流程。 目前尚存的技術挑戰包括：整合更多環境參數、以及進一步降低殘餘噪訊。ETH 的實驗清楚展現，在今日的高精度量測與差動量測領域，基於雷射的量測方法已遠遠勝過傳統感測器。
影響與展望 這兩種實驗方法共同推動了實驗室直接量測萬有引力常數的極限。它們提供了關於這股塑造恆星、行星與星系的力量的可靠數據——並為更精密的引力感測器、地球物理應用，甚至間接的重力波偵測鋪平道路。 對基礎研究而言，更先進的雷射技術與資料分析方法所帶來的進展令人期待。研究人員未來或許能大幅降低目前 G 的不確定度，甚至發現超越傳統牛頓模型的新物理線索。
可以確定的是：憑藉聰明的實驗設計與雷射量測的高精度，我們如今得以觀察曾被視為不可量測的現象。
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