物理學家剛完成了迄今為止最微弱的引力場測量

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 20 日 0:00 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


兩個 90 毫克金球之間的微小引力在最近首次測量出來,這使得本事件成為目前被成功測量的最小引力場——這一成就為探索量子領域的交互作用打開了大門。

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(強、弱和電磁力)不同,重力無法用標準模型來描述。愛因斯坦的廣義相對論是我們用來描述和預測重力交互作用的模型,它在大多數情況下都很好用,然而,當我們進入到量子尺度時,廣義相對論就崩潰了,取而代之的是量子力學。

廣義相對論取代了早期的牛頓萬有引力定律模型,牛頓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,其古典物理學適用於大多數地球上的應用。但是非常非常小的引力作用呢?通常來說,測量微小物體極具挑戰性,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,在小尺度上進行的大多數重力測試都涉及至少 1 公斤的質量。

為了實現這一目標,英國科學家卡文迪許設計了一個實驗,他製作了一個扭力天秤,在水平懸掛的靜止桿子兩端輕球旁設置更重的鉛球,兩個物體之間的引力使桿子旋轉,卡文迪許就可以根據桿子的扭曲程度來測量重力,這個裝置後來被稱為卡文迪許實驗。

本次的研究人員修改了卡文迪許實驗,以便在小範圍內測試萬有引力,他們使用微小的金球體,每顆的半徑只有 1 毫米,質量為 92 毫克。兩個金球置於一根長度為 40 毫米的水平玻璃棒的兩端上。其中一個金球體是實驗用,另一個是平衡用;第三個球體,被移動到實驗球旁,以產生萬有引力作用。

在這樣的尺度下,研究團隊需要排除許多干擾因素,他們將實驗設計在真空室中,並採用法拉第籠來阻隔球體間的電磁交互作用,同時防止聲波和地震干擾。玻璃棒中心有一面鏡子,對鏡子打出一道雷射光讓其反射到另一端的探測器上,當棒子扭曲時,探測器上雷射光的移動就會顯示出所施加的引力有多大,從而讓研究團隊精確繪製引力場。

(Source:Science Alert

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,透過他們的測量,他們甚至能夠計算出萬有引力常數 (G),得出的值僅比國際推荐值低 9%。他們的結果表明,未來可能會進行更小的測量,這將有助於科學家探索量子狀態,並可能提供對暗物質、暗能量、弦理論和標量場的洞見,這項研究發表於《自然》期刊上。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:維基百科