最小的引力的测量

微小尺度的引力

量子尺度的引力长期以来一直是物理学的一个谜，但事情可能开始发生变化。

物理学家测量了有史以来最小的引力场，这一实验可能有助于探寻统一物理学的理论。

在物理学已知的四种基本力中——弱相互作用和强相互作用、电磁力和万有引力——只有万有引力没有被整合到称为标准模型的物理学模型中，这一物理模型描述了亚原子粒子的运动规律。相反，引力是由爱因斯坦的广义相对论描述的，但随着这一理论在量子尺度上的矛盾，我们最好将宇宙一分为二地讨论。

因此，物理学仍然无法描述引力如何在亚原子尺度上发挥作用，这让物理学家在理解——为什么位于黑洞中心的奇点引力的强度比其他所有力都弱得多时感到十分困惑。

但是，一项新的实验测量了两个直径仅2毫米的微小金球之间的微小引力，这可能是许多实验中的第一个，为了解引力如何在这些尺度上运作提供了思路。

“这是一个概念验证实验，旨在创建一个能够测量非常小的加速度的传感器，并建立一种允许我们检测甚至更小的引力的方法，”该研究的负责人之一，维也纳大学的博士生杰里迈亚斯·普法夫告诉《生活科学》。“从长远来看，我们想知道叠加态下量子物体的引力场是什么样的，但在这个过程中还有很多实验证明要做，”普法夫说，他指的是同时处于两种量子状态的亚原子粒子受到的引力。

为了弄明白重力在小尺度下是如何工作的，研究人员使用了一个微型的扭秤——这是一种由英国科学家亨利·卡文迪许在1798年首次发明的设备，用来测量地球的密度，并由此测量重力加速度g的大小。

扭有着一根水平的杆，由一根线悬挂在它的中心，线的两端各有两个质量块----金球。这意味着，如果沿着杆的水平轴方向施加一个微小的力，悬线就会扭曲，科学家可以根据杆旋转的程度来测量施加的力。通过将第三个金球与连接在棒末端的一个金球靠近，研究人员能够测量它和连接的金球之间的重力。

研究人员要寻找的力很小。大概为9 × 10的负14次方牛顿，这将是三分之一的人类血细胞在地球重力场中经历的力。因此，该实验需要极其灵敏的设备，研究人员必须最大限度地减少外部噪音对于实验的影响，确保设备上没有杂散电荷，并找到一种可靠的方法来发现所需的信号。

“城市的环境也很不理想，”普法夫说。“令人震惊的是，我们不仅对小地震的微小波动敏感，而且对当地的有轨电车和公共汽车也很敏感。我们甚至能够在数据中看到维也纳市的马拉松赛。”

实验人员在将仪器放入真空中之前，用离子化的氮气充满仪器周围的区域，以消除任何杂散电荷。他们还通过非常缓慢地将两个球体移近和移远，使他们正在寻找的微小引力信号更加突出。

就像闪烁的光比恒定的光更容易被注意到一样，球体之间不断增大和缩小的引力比它们静止时更容易被发现。这使得研究人员能够找到两个球体之间的引力强度，也找到了他们自己对引力常数的测量方法。

到目前为止，在他们测量的尺度上，重力遵循着与大尺度相同的可预测规则。物理学家们现在希望让他们的实验更加灵敏，这样他们就可以在更短的距离内从至少轻1000倍的质量中拾取更小的信号。这可能为解释大小尺度引力的理论提供重要线索，以及对暗物质存在等其他奥秘的见解，暗物质是一种神秘的物质形式，不发光，但却产生引力。

在更小的尺度上，研究人员可以开始检测物质通过重力相互作用的全新方式——这些方式遵循量子世界更加奇异的规则。如果他们这样做了，物理学可能最终开始弥合我们对宇宙的大图和小图之间的差距。

“扩大我们对这种难以捉摸的力量的了解，可能有助于我们收集线索，找到对我们的物理现实的更基本的理解，”普法夫说。

BY:Ben Turner

FY: 陈品怀

如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

来源: 3.原文来自：https://www.