灵敏度最高的引力测量:92毫克的黄金球之间的微弱引力

majer @ 2021.03.15 , 08:31

万有引力是宇宙中的恢弘伟力,无往弗届。但是,对所有天体级别以下的物理对象,它们的引力场都过于微弱。

现在,科学家刚刚成功测量到两颗90毫克的黄金球体之间的微小引力场。

这是有史以来测量到的最小引力场——这一成就可能为探究量子领域的引力相互作用打开大门。

最前沿的物理理论存在某些不和谐之处,特别是引力。与宇宙中的其他三种基本力——弱力、强力和电磁力——不同,我们无法把引力纳入同一模型。

刻画引力的广义相对论和描述弱力、强力和电磁力的量子力学,无法统一到一起。

广义相对论容纳了牛顿的万有引力定律,从时空几何的角度,诠释了引力的本质。但是,单就计算而言,万有引力定律运行得十分良好,即使它在天体物理环境中有点磕磕绊绊。

但非常小的质量相互作用呢?通常情况下,这些都是非常具有挑战性的测量,因为很难将它们从地球引力和其他扰动的影响中抽离出来。大多数微重力检测都涉及至少1公斤的质量。

现在,奥地利科学院的托比亚斯-威斯特法尔领导的团队从18世纪寻找灵感——亨利·卡文迪许确定了万有引力常数的著名实验。卡文迪许发明了一个扭转天平,水平悬挂的杆子两端是铅配重。

砝码之间的吸引力使杆子旋转,扭转悬挂杆子的铁丝,使卡文迪许能够根据铁丝的扭转程度来测量重力大小。这个装置后来被称为卡文迪许扭秤。

威斯特法尔和同事升级了卡文迪许扭秤。质量是微小的金球,每个金球的半径只有1毫米,重量为92毫克。

他们想方设法排除掉干扰:用法拉第屏蔽罩阻挡球体的电磁相互作用;在真空室中实验,以防止声音和地壳活动的扰动。

他们借助激光放大引力效果——金球之间的引力制造出扭矩后,让天平中间的镜子偏转,导致镜子反射的激光轨迹偏移。

研究人员发现,即使在如此的小尺度下,牛顿的万有引力定律依然坚挺。从测量结果来看,他们甚至能够计算出引力常数,也就是牛顿常数(G),数值与标准仅有9%的误差。他们说,这个误差完全可以被实验中的不确定性所覆盖,因为他们的实验本来就不是为了测量G而设计的。

总而言之,他们的结果表明,未来可以测量到更小质量的引力场。这可以帮助科学家探究量子体系,并有可能为暗物质、暗能量、弦理论和标量场的研究提供线索。

该成果已发表在《自然》上。

https://www.sciencealert.com/scientists-have-taken-the-smallest-gravitational-field-measurement-yet

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