物理学家测量到的最小引力场

2019年圣诞节期间,四名物理学家在维也纳的一个实验室里围绕着两个小金球,每个金球都有瓢虫大小。它是无声的,在所有你能想象到的方面都是无声的:从声音上,从地震上,甚至从电磁上。肯定是这样,因为研究人员正试图探测一个球体的引力对另一个球体的影响。

他们做到了,这是第一次在这个尺度上进行引力探测。其中一个金球(“源质量”)被记录到使另一个金球发生轻微的摆动。该研究小组的研究结果发表在今天的《自然》杂志上。

维也纳大学量子物理学家、论文合著者马库斯·艾斯派梅尔在一次视频通话中说:“如果你拿我们这颗小小的黄金行星来说,行星表面的一个物体实际上会以比物体在地球上坠落的速度慢300亿倍的速度坠落。”。“这就是我们谈论的规模。”

重力是自然界最基本的力量之一,也许是最可察觉的力量,对它的质疑往往发生在最庞大和最微小的尺度上。对大引力的质疑涉及到遥远的质量——对宇宙中黑洞和中子星的检验。但是,在地球上才能更好地理解力的微小作用,在地球上,研究人员可以比在难以控制的空间扩张中更容易地控制他们的实验环境。

对艾斯派梅尔的团队来说,这种控制意味着抑制可能会干扰团队结果的变量,比如在测试时研究员离金球太近,以及外面的交通情况。物理学家有意在假日期间进行实验,因为假日期间,外面运行的有轨电车会减少,人们呆在家里和家人在一起,维也纳正常的商业竞争也会减缓。

“你需要耍一些花招,”艾斯派梅尔说,“来区分来自源质量的加速度和所有其他质量的加速度。”

选择黄金作为源物质是因为它重,密度大,纯度高,物理学家可以很容易地理解质量的所有性质。就像你买了一件新珠宝一样,他们从维也纳当地的一个金匠那里买了用于基础物理研究的黄金,金匠专门按比例制作。

在实验中,这些小金珠被一个小法拉第罩隔开,以防止任何电磁干扰。一颗珠被固定在天花板上挂着一面镜子的水平杆上,而另一颗珠——产生引力场的质量——则被间歇地移动。一束激光对准镜子,在这个微小力场的接收端,球的增量运动被记录在激光的运动中,并被精确记录。

“探测到如此微小的引力信号本身就是一个令人兴奋的结果,但作者们更进一步,通过他们的实验确定了G的值,”德国联邦物理技术研究所(Physikalisch-Technische Bundesanstalt)的非附属物理学家克里斯蒂安·罗斯莱特纳在一篇相关的透视文章中说。“因此,这个实验第一次证明,即使源质量如此之小,牛顿万有引力定律也适用。”

这并不是微不足道的引力研究的终点。最终,物理学家希望在量子状态下测量引力场,从而调和这样一个事实,即广义相对论——最能解释引力的理论——不能用量子力学来解释。对磁场的测量越精确,研究人员就越容易回答一些重大问题,比如为什么暗物质是看不见的,但仍然对宇宙的质量有贡献。

在这种小规模实验发生之前,该团队将研究更小的非量子质量。

“目前主要的限制因素仍然是环境噪音,这并不一定意味着不同的实验设置,”维也纳大学的物理学家、共同作者汉斯·赫帕奇在同一视频通话中说。“目前实验的根本限制因素是摆的悬挂的热噪声。这样就消除了悬浮,使测试质量悬浮(例如通过磁力悬浮),从而使测试质量更小。”

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/wuli/1079.html