2021-03-13 12:49

物理學家剛剛完成了有史以來最小的引力場測量

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兩個90毫克的金球之間的微小引力場剛剛被首次測量出來。

這使得它成為迄今為止被成功測量的最小引力場——這一成就為探索量子領域的引力相互作用打開了大門。

我們用來描述宇宙的數學存在一個大問題;特別是重力的作用方式。與宇宙中其他三種基本力——弱、強和電磁力不同,引力無法用標準物理模型來描述。

愛因斯坦的廣義相對論是我們用來描述和預測引力相互作用的模型,它在大多數情況下都很好用。然而,當我們回到量子尺度時,廣義相對論就崩潰了,取而代之的是量子力學。迄今為止,調和這兩種模式已經被證明是非常困難的。

廣義相對論取代了早期的模型牛頓萬有引力定律,后者沒有考慮時空的曲率。它指出兩個物體之間的萬有引力與它們質量的乘積成正比,與它們中心距離的平方成反比。

牛頓物理學適用于大多數地球上的應用,即使它在天體物理環境中有一點磕磕絆絆。

但是非常非常小的引力作用呢?通常來說,測量它們非常具有挑戰性,因為很難把它們從地球引力和其他擾動的影響中分離出來。在較小尺度上進行的大多數重力測試都涉及至少一公斤(2.2磅)的質量。

現在,我們已經縮小了很多。為了實現這一目標,奧地利科學院的托拜厄斯·威斯特法爾(Tobias Westphal)領導的一個科學家團隊實際上從18世紀尋求靈感:即,第一個測量兩個質量之間的引力的實驗,并給出了引力常數的第一個精確值。

這是英國科學家亨利·卡文迪許設計的,他發現了如何有效地消除地球引力。他制作了一個扭力天平,在水平懸掛的桿子的兩端附加鉛重。

兩個重物之間的引力使桿子旋轉,使懸掛桿子的導線扭曲,卡文迪許就可以根據導線的扭曲程度來測量重力。這個裝置后來被稱為卡文迪什實驗。

威斯特法爾和他的同事們修改了卡文迪許實驗,以便在小范圍內測試萬有引力。它們的質量是微小的金球體,每個半徑只有1毫米,重量為92毫克。

在這些尺度上,研究小組需要考慮一些干擾的來源。兩個金球被連接到一根水平的玻璃棒上,距離為40毫米。一個球體是測試質量,另一個是平衡物;第三個球體,源質量,被移動到測試質量附近,以產生引力相互作用。

在真空室中,采用法拉第屏蔽屏蔽球間的電磁相互作用,防止聲波和地震干擾。

experiment(Westphal等,《自然》,2021年)

一束激光從棒子中心的一面鏡子上反射到一個探測器上。當棒子扭曲時,探測器上激光的移動就會顯示出所施加的引力有多大——而移動源質量可以讓研究小組精確地繪制出兩個質量產生的引力場。

研究人員發現,即使在這些小尺度上,牛頓的萬有引力定律仍然成立。通過他們的測量,他們甚至能夠計算出萬有引力,也就是牛頓常數(G),得出的值僅比國際推薦值低9%。他們說,這種差異可以完全被他們實驗中的不確定性所掩蓋,而實驗的目的并不是測量G。

總之,他們的結果表明,未來可能會進行更小的測量。這可以幫助科學家探索量子狀態,并可能提供對暗物質、暗能量、弦理論和標量場的洞見。

他們在論文中寫道:“我們的實驗為進入和探索引力物理學提供了一條可行的途徑,包括用孤立的微觀源質量在普朗克質量以下進行引力的精確測試。”

“這為確定牛頓常數提供了一種不同的方法,到目前為止,牛頓常數仍然是基本常數中確定得最少的一種。”一般來說,微型化的精密實驗可以在比今天更小的尺度上測試重力平方反比定律。”

這項研究已經發表在 自然

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