兩個90毫克的金球之間的微小引力場剛剛被首次測量出來。
這使它正式成為有史以來成功測量的最小引力場。這一成就可能為探索量子領域中的引力相互作用打開了大門。
實際上,我們用來描述宇宙的數學有很大的問題。,特別是重力的行為方式。 與宇宙中的其他三個基本力(弱力,強力和電磁力)不同,引力無法用物理學的標準模型來描述。
愛因斯坦的廣義相對論是我們用來描述和預測引力相互作用的模型,它在大多數情況下都很有效。然而,當我們談到量子尺度時,廣義相對論瓦解了,量子力學取而代之。到目前為止,調和這兩種模式被證明是非常困難的。
廣義相對論取代了早期的牛頓萬有引力定律,牛頓萬有引力定律沒有納入時空曲率。它指出,兩個物體之間的引力與它們質量的乘積成正比,與它們中心之間距離的平方成反比。
牛頓物理學適用於大多數地球上的應用,雖然它在天體物理環境中有一點磕磕絆絆。
但是,非常非常小的引力作用呢?通常來說,測量它們非常具有挑戰性,因為很難把它們從地球引力和其他擾動的影響中分離出來。在較小尺度上進行的大多數重力測試都涉及至少一公斤(2.2磅)的質量。
現在,我們已經縮小了很多。為了實現這一目標,奧地利科學院的一個科學家團隊轉而向過去的18世紀尋求靈感:即第一個測量兩個質量之間的引力的實驗,並給出了第一個準確的引力常數值。
這是由英國科學家亨利·卡文迪許設計的,他發現瞭如何有效地消除地球引力。他製作了一個扭力天平,在水平懸掛的杆子的兩端附加鉛錘。
重物之間的引力導致杆子旋轉,扭曲了懸掛杆子的金屬絲,使卡文迪許能夠根據金屬絲扭曲的程度來測量重力。這個裝置後來被稱為:卡文迪許實驗。
現在,奧地利的科學家團隊修改了卡文迪許實驗,以便在更小範圍內測試引力。它們的質量是微小的金球,每個半徑只有1毫米,重92毫克。
研究團隊還使用法拉第遮蔽罩來阻止球體進行電磁相互作用,並在真空室內進行實驗以防止聲音和地震干擾。
一束鐳射從棒子中心的一面鏡子反射到一個探測器上。當棒子扭曲時,探測器上鐳射的移動就會顯示出所施加的引力有多大 —— 而移動源質量可以讓研究小組精確地繪製出兩個質量產生的引力場。
研究人員發現,即使在這種小尺度上,牛頓的萬有引力定律仍然成立。透過他們的測量,他們甚至能夠計算出萬有引力,也就是牛頓常數(G),得出的值僅比國際推薦值低9%。他們說,這種差異可以完全被他們實驗中的不確定性所掩蓋,而實驗的目的並不是測量G值。
總之,他們的結果表明,未來可能會進行更小的測量。這可以幫助科學家探索量子狀態,並可能提供對暗物質、暗能量、弦理論和標量場的洞見。
科學家團隊表示:“我們的實驗為進入和探索引力物理學提供了一條可行的途徑,包括用孤立的微觀源質量在普朗克質量以下進行引力的精確測試。這為確定牛頓常數提供了一種不同的方法,到目前為止,牛頓常數仍然是基本常數中確定得最少的一種。”
一般來說,小型化的精密實驗可以在比現在小得多的尺度上進行重力平方反比定律的測試。