最小的引力的測(cè)量

微小尺度的引力

量子尺度的引力長(zhǎng)期以來(lái)一直是物理學(xué)的一個(gè)謎，但事情可能開(kāi)始發(fā)生變化。

物理學(xué)家測(cè)量了有史以來(lái)最小的引力場(chǎng)，這一實(shí)驗(yàn)可能有助于探尋統(tǒng)一物理學(xué)的理論。

在物理學(xué)已知的四種基本力中——弱相互作用和強(qiáng)相互作用、電磁力和萬(wàn)有引力——只有萬(wàn)有引力沒(méi)有被整合到稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)模型中，這一物理模型描述了亞原子粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。相反，引力是由愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論描述的，但隨著這一理論在量子尺度上的矛盾，我們最好將宇宙一分為二地討論。

因此，物理學(xué)仍然無(wú)法描述引力如何在亞原子尺度上發(fā)揮作用，這讓物理學(xué)家在理解——為什么位于黑洞中心的奇點(diǎn)引力的強(qiáng)度比其他所有力都弱得多時(shí)感到十分困惑。

但是，一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)測(cè)量了兩個(gè)直徑僅2毫米的微小金球之間的微小引力，這可能是許多實(shí)驗(yàn)中的第一個(gè)，為了解引力如何在這些尺度上運(yùn)作提供了思路。

“這是一個(gè)概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，旨在創(chuàng)建一個(gè)能夠測(cè)量非常小的加速度的傳感器，并建立一種允許我們檢測(cè)甚至更小的引力的方法，”該研究的負(fù)責(zé)人之一，維也納大學(xué)的博士生杰里邁亞斯·普法夫告訴《生活科學(xué)》?！皬拈L(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們想知道疊加態(tài)下量子物體的引力場(chǎng)是什么樣的，但在這個(gè)過(guò)程中還有很多實(shí)驗(yàn)證明要做，”普法夫說(shuō)，他指的是同時(shí)處于兩種量子狀態(tài)的亞原子粒子受到的引力。

為了弄明白重力在小尺度下是如何工作的，研究人員使用了一個(gè)微型的扭秤——這是一種由英國(guó)科學(xué)家亨利·卡文迪許在1798年首次發(fā)明的設(shè)備，用來(lái)測(cè)量地球的密度，并由此測(cè)量重力加速度g的大小。

扭有著一根水平的桿，由一根線懸掛在它的中心，線的兩端各有兩個(gè)質(zhì)量塊----金球。這意味著，如果沿著桿的水平軸方向施加一個(gè)微小的力，懸線就會(huì)扭曲，科學(xué)家可以根據(jù)桿旋轉(zhuǎn)的程度來(lái)測(cè)量施加的力。通過(guò)將第三個(gè)金球與連接在棒末端的一個(gè)金球靠近，研究人員能夠測(cè)量它和連接的金球之間的重力。

研究人員要尋找的力很小。大概為9 × 10的負(fù)14次方牛頓，這將是三分之一的人類(lèi)血細(xì)胞在地球重力場(chǎng)中經(jīng)歷的力。因此，該實(shí)驗(yàn)需要極其靈敏的設(shè)備，研究人員必須最大限度地減少外部噪音對(duì)于實(shí)驗(yàn)的影響，確保設(shè)備上沒(méi)有雜散電荷，并找到一種可靠的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)所需的信號(hào)。

“城市的環(huán)境也很不理想，”普法夫說(shuō)?！傲钊苏痼@的是，我們不僅對(duì)小地震的微小波動(dòng)敏感，而且對(duì)當(dāng)?shù)氐挠熊夒娷?chē)和公共汽車(chē)也很敏感。我們甚至能夠在數(shù)據(jù)中看到維也納市的馬拉松賽?！?/p>

實(shí)驗(yàn)人員在將儀器放入真空中之前，用離子化的氮?dú)獬錆M儀器周?chē)膮^(qū)域，以消除任何雜散電荷。他們還通過(guò)非常緩慢地將兩個(gè)球體移近和移遠(yuǎn)，使他們正在尋找的微小引力信號(hào)更加突出。

就像閃爍的光比恒定的光更容易被注意到一樣，球體之間不斷增大和縮小的引力比它們靜止時(shí)更容易被發(fā)現(xiàn)。這使得研究人員能夠找到兩個(gè)球體之間的引力強(qiáng)度，也找到了他們自己對(duì)引力常數(shù)的測(cè)量方法。

到目前為止，在他們測(cè)量的尺度上，重力遵循著與大尺度相同的可預(yù)測(cè)規(guī)則。物理學(xué)家們現(xiàn)在希望讓他們的實(shí)驗(yàn)更加靈敏，這樣他們就可以在更短的距離內(nèi)從至少輕1000倍的質(zhì)量中拾取更小的信號(hào)。這可能為解釋大小尺度引力的理論提供重要線索，以及對(duì)暗物質(zhì)存在等其他奧秘的見(jiàn)解，暗物質(zhì)是一種神秘的物質(zhì)形式，不發(fā)光，但卻產(chǎn)生引力。

在更小的尺度上，研究人員可以開(kāi)始檢測(cè)物質(zhì)通過(guò)重力相互作用的全新方式——這些方式遵循量子世界更加奇異的規(guī)則。如果他們這樣做了，物理學(xué)可能最終開(kāi)始彌合我們對(duì)宇宙的大圖和小圖之間的差距。

“擴(kuò)大我們對(duì)這種難以捉摸的力量的了解，可能有助于我們收集線索，找到對(duì)我們的物理現(xiàn)實(shí)的更基本的理解，”普法夫說(shuō)。

BY:Ben Turner

FY: 陳品懷

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