黄金见证微观力学：科学家让宇宙基本力“现身说法”

信息来源：https://scitechdaily.com/golden-experiment-reveals-the-invisible-forces-holding-the-universe-together/

宇宙的骨架由什么构成？不是钢铁，不是混凝土，而是一种我们看不见、摸不着的力。灰尘为什么会吸附在物体上？壁虎为什么能在天花板上爬行而不掉下来？这些日常现象都源于物理学中最神秘的一种力，科学家们称之为"自然界的隐形胶水"。最近，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员用一个巧妙的想法将这种无形的力转化为肉眼可见的色彩。他们的工具很简单：黄金、盐水和光。这个突破发表在《美国国家科学院院刊》上，标志着纳米尺度力学研究进入了一个全新时代。

想象一下这样的场景：一滴含有金箔的盐溶液被滴在镀金玻璃上，在光学显微镜下，微米级的金箔像被施了魔法一样，缓缓靠近玻璃表面，但又不完全接触，而是悬停在纳米级的距离处。当卤素灯照亮这个微小的空间时，被困在其中的光开始来回反射，产生了一种自然界最美丽的现象之一：随着光波长的变化，金箔忽而闪闪发光的金黄色，忽而变成深红，再转为翠绿。这不是什么魔术表演，而是两种基本力之间的"舞蹈"在用色彩诉说自己的故事。

查尔姆斯理工大学的研究人员开发出的新平台能够测量和研究通常被称为“自然界无形胶水”的力——这种力将物体在最小尺度上结合在一起。当光线被捕获在两片金箔之间时，研究人员可以研究两种力之间的微妙平衡：一种力将微小的物体拉向彼此，另一种力则将它们分开。这种结合力，即卡西米尔效应，使金箔彼此连接。第二种力，即静电力，产生于盐溶液中，阻止金箔完全粘合在一起。当这两种力相互平衡时，就形成了一个自组装过程，其结果是空腔的形成，从而开辟了新的研究方向。图片来源：查尔姆斯理工大学 | Michaela Hošková

这场色彩的变幻背后，隐藏着物理学的深刻原理。第一种力是卡西米尔效应，这是一种完全的量子现象。根据量子力学，真空绝非空无一物，而是充满了不断涌现和消失的虚粒子。当两个物体相靠近时，虚粒子的活动在它们之间和周围会有所不同，最终导致物体之间产生一种细微但可测量的吸引力。这就是卡西米尔力，它把金箔向玻璃表面拉去。

第二种力是静电力。金箔浸泡在含有自由离子的盐溶液中，这些离子被吸引到金箔和玻璃表面，形成电荷层。同号电荷互相排斥，这个力与卡西米尔吸引力形成了对抗。当这两种力达到微妙的平衡时，金箔就悬停在距玻璃表面100到200纳米的地方。一纳米是十亿分之一米，这是多么难以想象的尺度。

一块黄金平台揭示了自然界无形粘合剂的奥秘。瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员发现了一种快速简便的方法来研究宇宙中最小物体相互连接的隐秘力量。他们利用黄金、盐水和光，打造了一个平台，平台上的这些力量可以通过颜色显现出来。图片来源：查尔姆斯理工大学 | Mia Halleröd Palmgren

查尔姆斯理工大学物理系的博士生米凯拉·霍什科娃解释说，这个系统的妙处在于其简洁性。她说："我最兴奋的是，测量本身就如此美妙而简单。这种方法简单快捷，仅仅基于金箔的运动以及光与物质之间的相互作用。"当光谱仪分析被反射的光线时，研究人员可以精确推断出作用在金箔上的力。不同的光波长对应不同的力值，色彩的变化直接反映了力的大小。

在查尔姆斯理工大学的实验室里，博士生米凯拉·霍什科娃（Michaela Hošková）展示了一个玻璃容器，里面装着数百万微米级的金箔，浸泡在盐溶液中。她用移液管吸取一滴溶液，滴在光学显微镜下的镀金玻璃板上。盐溶液中的金箔会立即被吸引到基底上，但在它们与金板之间会留下纳米级的光学空隙。这些在液体中形成的空腔就像谐振器一样，光线在其中来回反射，呈现出不同的颜色。当显微镜的卤素灯照射到金板上，光谱仪分离出不同的波长时，就可以识别出不同颜色的光。在连接到实验室设备的显示器上，可以看到许多金箔在金黄色的背景下移动并变换颜色，例如红色和绿色。这些颜色揭示了作用在金箔上的力。图片来源：查尔姆斯理工大学 | 米娅·哈勒罗德·帕尔姆格伦（Mia Halleröd Palmgren）

这个发现为什么重要？因为自组装这个过程无处不在。从药物分子在体内的运输，到生物传感器的设计，再到水过滤系统的改进，纳米尺度的力都发挥着决定性作用。即使是日常用品如化妆品，防止颗粒聚集也是关键所在。

该研究负责人蒂穆尔·谢盖（Timur Shegai）是瑞典查尔姆斯理工大学物理系的副教授。图片来源：查尔姆斯理工大学 | 安娜-莱娜·伦德奎斯特（Anna-Lena Lundqvist）

研究负责人蒂穆尔·谢盖教授指出，传统研究这些力的方法通常需要复杂的仪器，而这些仪器往往无法提供粒子级别的信息。但这个新平台改变了局面。由于方法简单，成本低廉，科学家现在可以快速研究单个粒子的电荷以及它们之间的相互作用。这为物理学、化学和材料科学的研究打开了新大门。

当光线被捕获在盐溶液中微米级金箔之间时，就可以研究两种力之间的微妙平衡——一种力将这些微小物体拉向彼此，另一种力则使它们保持分离。这种结合力，即卡西米尔效应，使金箔彼此连接。第二种力，静电力，则来自盐溶液，它阻止金箔完全粘连在一起。当这两种力相互平衡时，就形成了一种自组装过程，其结果是空腔的形成，这为新的研究开辟了道路。图片来源：查尔姆斯理工大学 | Mia Halleröd Palmgren

更令人振奋的是，这个发现暗示了宇宙更深层的对称性。同样的原理不仅支配纳米尺度的自组装，也许还支配着宇宙更大尺度的现象，甚至包括星系的形成和演化。当我们理解了这些基本力如何在微观尺度上运作时，我们也许就向理解宏观宇宙迈进了一步。

霍什科娃在谈到这个平台的潜力时说，测量本身的简单和优雅令人兴奋。两块薄薄的玻璃板，几滴盐溶液，微米级的金箔，这就是所有需要的东西。通过观察色彩的变化，我们见证了宇宙最基本的力在"说话"。这不仅是技术上的突破，更是一种回归本质的优雅，用简单的方式揭开自然最深的秘密。