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物理学家测量了迄今为止探测到的最小引力场

在2019年圣诞节期间,四名物理学家在维也纳实验室中在两个微小的金球上方仔细观察,每个球的大小都相当于瓢虫的大小。实验室里以您可以想象的所有方式保持安静,因为研究人员正试图检测一个球体的引力对另一个球体的影响,因此必须如此。

物理学家测量了迄今为止探测到的最小引力场引力可以理解为起源于时空的扭曲,这在图中表现出来

他们第一次发现了在这种尺度物体间相互作用引力。记录到其中一个金球(“源质量”)作用在另一个球体上的轻微摆动。研究小组的研究结果发表在今天的《自然》杂志上。

“如果您把我们的这个实验用的金球作为一个行星,那么与地球上物体坠落的速度相比,这个小行星表面上的物体实际上坠落的速度要慢300亿倍,”维也纳大学量子物理学家,论文的共同作者马库斯·阿斯佩尔迈尔(Markus Aspelmeyer)在视频通话中说,“这就是我们正在谈论的尺度。”

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引力是自然界的基本力量之一,也许也是最微弱的力,它往往在尺度最大,尺度最小的情况下发生。对大引力的研究涉及到远处的质量——如对宇宙中遥远的黑洞和中子星的研究。但是更好地理解这种力的最轻微的作用发生在地球上,在这里,研究人员可以无限轻松地控制他们实验的环境,而不是在难以控制的太空中。

对于阿斯佩尔迈尔的团队来说,这种控制意味着消音变量可能会干扰团队的结果,这是因为研究人员离金球太近和外部交通喧嚣都会导致测试漂移。物理学家们有意在假期里进行实验,那时外面的电车会减少,而维也纳的正常商业活动也会因为人们和家人呆在家里而放缓。

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“您需要发挥一些技巧,”阿斯佩尔迈尔说,“以将源质量的加速度与所有其他质量的加速度区分开来。”

选择金作为源质量是因为它重,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。他们在维也纳当地的一个金匠那里购买了用于基础物理研究的黄金,金匠专门按比例制作这些黄金。

在实验中,小金珠被一个小法拉第盾隔开,以防止任何电磁干扰。一个珠子被附着在挂在天花板上的横杆上,上面有一面镜子,另一个珠子——施加引力场的质量——间歇性地移动着。一个激光指向镜子,在激光的运动中记录了这个微小力场接收端球体的增量运动,并精确地记录下来。

物理学家测量了迄今为止探测到的最小引力场通过检测一个金球运动对另一个金球运动的影响来测量磁场。

“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,但作者通过实验进一步确定了G的值。”德国物理学会德国联邦理工学院的独立物理学家克里斯蒂安·罗斯利特纳(Christian Rothleitner)在随附的透视文章说道,“因此,这项实验首次表明,牛顿引力定律即使对像这样小的源质量也是成立的。”

这还没完呢。最终,物理学家希望在量子状态下测量引力场,从而调和了不能用量子力学来解释广义相对论这一最能解释引力的理论。场的测量越短,研究人员就越接近回答重大问题,例如为什么暗物质是看不见的,但仍对宇宙质量有贡献。

物理学家测量了迄今为止探测到的最小引力场

在进行这种小尺度实验之前,该团队将处理较小的非量子质量

“目前的主要限制因素仍然是环境噪声,这并不一定意味着不同的实验装置。”维也纳大学物理学家汉斯·赫帕赫(Hans Hepach)在同一视频通话中说,“当前实验的根本限制因素是摆锤悬架的热噪声。因此,消除悬架的热噪声,将使悬浮测试质量引力的引力源质量更小。”

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引力修正揭示了宇宙中最弱的力的新尺度。要检测它,需要一个非常受控的实验室环境。下次您在维也纳时,请记得保持安静,物理学家在工作。

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