物理学家测量两小金球重力 为迄今最小引力

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【大纪元2021年03月21日讯】(大纪元记者高文森编译报导)维也纳大学的科学家最近成功测量了两个直径只有2毫米、质量只有90毫克的小球之间的引力

人们觉得对引力很熟悉,其实并非如此,直到现在,科学家都无法把引力理论和量子力学很好的统一起来。这一方面是因为引力是物体间最弱的作用力。即使是测量宇宙空间大质量天体传来的引力波,科学家需要两个相隔非常遥远的观测站同时测量,才能尽可能地排除干扰信号。

那是测量像中子星或黑洞这样巨型天体所发出的引力波。现在,科学家成功地测量了两个只有芝麻粒那么小的球体之间的引力。更重要的是,研究人员认为这个实验为探索更小的、小到量子力学范围内物体间的引力奠定了必要的基础。

精细的实验设施

这个实验是在1797年卡文迪许扭秤实验(Cavendish experiment)的基础上精心改版而来。研究人员悬挂一根长杆,杆的两头各挂着每个只有90毫克的黄金球。横杆从中心部位吊起,这样两端的小球和横杆能在一个水平面上自由旋转。杆的中心挂着一面镜子,用于反射激光。

再用第三个一样大的小球靠近其中一个球。按照理论,横杆一端的球体会在引力的作用下出现位置的移动。横杆的移动将带动中心的镜面一起转动,继而改变激光被反射的方向。

通过测量反射激光的偏转,这个装置能够精确地测量两个微型球体之间的引力。

繁杂的干扰信号

研究介绍说,这个实验最难的地方在于排除无处不在的干扰,哪怕实验设施3米之内有人走动,或是50米之内火车开过的动静,都足以形成干扰。

最后,研究人员选定在冬天假期的晚上进行这项实验,以最大化地降低干扰因素。

而且,整个实验设施要置于真空的环境下。在创造真空环境之前,研究人员先注入氮气,消除设施上存留的任何电荷。这还不够保险,还在两个金属球之间放上一层法拉第盾(Faraday shield),消除任何静电引力的影响。

在这样的设置下,小球间的引力仍然是小到难以测量。研究人员还要将第三个小球按照一定的规律进行移动,造成一个有规律地在平面上移动的效果。同时移动的频率要避开横杆的自然振动频率,以免形成共振又成为新的干扰。

微小的引力

研究人员终于测到,两个小球之间的引力是 9 x 10⁻¹⁴牛顿。按照力学公式,研究人员还计算了引力常数,得到的结果与现有已知的结果误差9%左右。研究者表示,相对于这样小的测量范围,这样的误差是在可以接受的程度。

90毫克的小球对于宏观世界来说,已经是相当小了,可是对于微观世界来说,还是比较大的物体。要想探索量子力学的世界,并与引力理论衔接,研究人员还得设计更小物体的实验。比如,如果未来能够测量处于量子叠加态中的微小物体所产生的引力从而确定其空间位置,那将具有划时代的意义。

不过,同行认为目前的这个实验已经迈出了重要的第一步。这份研究3月10日发表于《自然》(Nature)期刊。◇#

责任编辑:叶紫微

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