2021-03-13 12:49

物理学家刚刚完成了有史以来最小的引力场测量

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两个90毫克的金球之间的微小引力场刚刚被首次测量出来。

这使得它成为迄今为止被成功测量的最小引力场——这一成就为探索量子领域的引力相互作用打开了大门。

我们用来描述宇宙的数学存在一个大问题;特别是重力的作用方式。与宇宙中其他三种基本力——弱、强和电磁力不同,引力无法用标准物理模型来描述。

爱因斯坦的广义相对论是我们用来描述和预测引力相互作用的模型,它在大多数情况下都很好用。然而,当我们回到量子尺度时,广义相对论就崩溃了,取而代之的是量子力学。迄今为止,调和这两种模式已经被证明是非常困难的。

广义相对论取代了早期的模型牛顿万有引力定律,后者没有考虑时空的曲率。它指出两个物体之间的万有引力与它们质量的乘积成正比,与它们中心距离的平方成反比。

牛顿物理学适用于大多数地球上的应用,即使它在天体物理环境中有一点磕磕绊绊。

但是非常非常小的引力作用呢?通常来说,测量它们非常具有挑战性,因为很难把它们从地球引力和其他扰动的影响中分离出来。在较小尺度上进行的大多数重力测试都涉及至少一公斤(2.2磅)的质量。

现在,我们已经缩小了很多。为了实现这一目标,奥地利科学院的托拜厄斯·威斯特法尔(Tobias Westphal)领导的一个科学家团队实际上从18世纪寻求灵感:即,第一个测量两个质量之间的引力的实验,并给出了引力常数的第一个精确值。

这是英国科学家亨利·卡文迪许设计的,他发现了如何有效地消除地球引力。他制作了一个扭力天平,在水平悬挂的杆子的两端附加铅重。

两个重物之间的引力使杆子旋转,使悬挂杆子的导线扭曲,卡文迪许就可以根据导线的扭曲程度来测量重力。这个装置后来被称为卡文迪什实验。

威斯特法尔和他的同事们修改了卡文迪许实验,以便在小范围内测试万有引力。它们的质量是微小的金球体,每个半径只有1毫米,重量为92毫克。

在这些尺度上,研究小组需要考虑一些干扰的来源。两个金球被连接到一根水平的玻璃棒上,距离为40毫米。一个球体是测试质量,另一个是平衡物;第三个球体,源质量,被移动到测试质量附近,以产生引力相互作用。

在真空室中,采用法拉第屏蔽屏蔽球间的电磁相互作用,防止声波和地震干扰。

experiment(Westphal等,《自然》,2021年)

一束激光从棒子中心的一面镜子上反射到一个探测器上。当棒子扭曲时,探测器上激光的移动就会显示出所施加的引力有多大——而移动源质量可以让研究小组精确地绘制出两个质量产生的引力场。

研究人员发现,即使在这些小尺度上,牛顿的万有引力定律仍然成立。通过他们的测量,他们甚至能够计算出万有引力,也就是牛顿常数(G),得出的值仅比国际推荐值低9%。他们说,这种差异可以完全被他们实验中的不确定性所掩盖,而实验的目的并不是测量G。

总之,他们的结果表明,未来可能会进行更小的测量。这可以帮助科学家探索量子状态,并可能提供对暗物质、暗能量、弦理论和标量场的洞见。

他们在论文中写道:“我们的实验为进入和探索引力物理学提供了一条可行的途径,包括用孤立的微观源质量在普朗克质量以下进行引力的精确测试。”

“这为确定牛顿常数提供了一种不同的方法,到目前为止,牛顿常数仍然是基本常数中确定得最少的一种。”一般来说,微型化的精密实验可以在比今天更小的尺度上测试重力平方反比定律。”

这项研究已经发表在 自然