科学家在两个小金球间测量出微弱的引力场-浩瀚科普

科学家在两个小金球间测量出微弱的引力场

2021年3月18日上午9:17 • 科学 • 阅读 1532

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;特别是引力的作用方式，与宇宙中其他三种基本力（强、弱和电磁力）不同，引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引力交互作用的模型，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引力测试都涉及至少一公斤的质量。

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。

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引力，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，对镜子打出一道雷射光让其反射到另一端的探测器上，当棒子扭曲时，探测器上雷射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。