物理学家刚完成了迄今为止最微弱的引力场测量

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两个90毫克金球之间的微小引力在最近首次测量出来,这使得本事件成为目前被成功测量的最小引力场—这一成就为探索量子领域的交互作用打开了大门。

两个90毫克金球之间的微小引力在最近首次测量出来,这使得本事件成为目前被成功测量的最小引力场—这一成就为探索量子领域的交互作用打开了大门。

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(强、弱和电磁力)不同,重力无法用标准模型来描述。 爱因斯坦的广义相对论是我们用来描述和预测重力交互作用的模型,它在大多数情况下都很好用,然而,当我们进入到量子尺度时,广义相对论就崩溃了,取而代之的是量子力学。

广义相对论取代了早期的牛顿万有引力定律模型,牛顿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,其古典物理学适用于大多数地球上的应用。 但是非常非常小的引力作用呢? 通常来说,测量微小物体极具挑战性,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,在小尺度上进行的大多数重力测试都涉及至少一公斤的质量。

为了实现这一目标,英国科学家卡文迪许设计了一个实验,他制作了一个扭力天秤,在水平悬挂的静止杆子两端轻球旁设置更重的铅球,两个物体之间的引力使杆子旋转,卡文迪许就可以根据杆子的扭曲程度来测量重力,这个装置后来被称为卡文迪许实验。 本次的研究人员修改了卡文迪许实验,以便在小范围内测试万有引力,他们使用微小的金球体,每颗的半径只有1毫米,质量为92毫克。 两个金球置于一根长度为40毫米的水平玻璃棒的两端上。 其中一个金球体是实验用,另一个是平衡用;第三个球体,被移动到实验球旁,以产生万有引力作用。 在这样的尺度下,研究团队需要排除许多干扰因素,他们将实验设计在真空室中,并采用法拉第笼来阻隔球体间的电磁交互作用,同时防止声波和地震干扰。 玻璃棒中心有一面镜子,对镜子打出一道激光光让其反射到另一端的探测器上,当棒子扭曲时,探测器上激光光的移动就会显示出所施加的引力有多大,从而让研究团队精确绘制引力场。

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,透过他们的测量,他们甚至能够计算出万有引力常数(G),得出的值仅比国际推荐值低9%。 他们的结果表明,未来可能会进行更小的测量,这将有助于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,这项研究发表于《自然》期刊上。 (编译/许晋翊)

数据来源:Science Alert

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