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这种对200年前引力实验的现代演绎可以帮助找到暗物质

有史以来最小的引力已经被测量到,科学家们推翻了关于什么才算“太小”而无法量化的普遍假设。尽管所有物体都表现出基于其质量的某种拉力,但我们最熟悉——并且主要感受到来自——行星体的影响,就像地球施加在我们身上的重力一样。

这并不意味着其他小得多的物体没有自己的引力场,只是到目前为止还没有现成的方法来测量它们。这也不是闲散的好奇心:通过对最微小的引力有更细致的理解,科学家们可以去寻找现代奥秘,如暗物质或暗能量。

它归结为由维也纳大学和奥地利科学院的 Markus Aspelmeyer 和 Tobias Westphal 领导的一组量子物理学家,以及对一项非常古老的实验的前沿研究。卡文迪许方法在 18 世纪末首次实施,将重达 350 磅的一英尺宽的铅球放在扭摆附近。

它有两个由金属丝悬挂并可以自由旋转的质量:卡文迪什表明铅球的重力足以使钟摆偏转。在这个过程中,他和其他人反驳了只有行星和类似的天体具有自身引力的假设。

该实验的现代版本要小得多。维也纳的研究人员使用了一个直径为 2 毫米、重量仅为 90 毫克的金球来代替铅球。与此同时,他们的扭摆是一根 2 英寸的玻璃棒,只有半毫米厚,悬挂在玻璃纤维上,每端都有更多的金球。使用激光来跟踪任何运动。

“我们来回移动金球,创造一个随时间变化的引力场,”该团队的研究人员 Jeremias Pfaff解释说。“这会导致扭摆在特定的激励频率下振荡。”

实际运动本身只有几百万分之一毫米,在那个水平上,该小组被迫采取措施避免来自您通常不会考虑的来源的运动的潜在影响。例如,静电力被放置在质量之间的导电屏蔽所挫败,并且钟摆悬浮在真空室中。但是,其他一些因素只能通过不寻常的办公时间来解决。

“我们实验中最大的非重力效应来自我们维也纳实验室周围的行人和电车交通产生的地震振动,”合著者汉斯赫帕奇解释说。“因此,我们在夜间和圣诞节假期期间获得了最好的测量数据,当时流量很少。”

虽然这项研究本身很有趣,但今天发表在《自然》杂志上的研究也有更广泛的应用。该团队现在正在研究质量比本实验中使用的金球轻数千倍的引力场,最终目标是能够计算出真正微小的力。这可能允许暗能量或暗物质的存在,被认为有助于宇宙的形成,通过它改变重力行为的方式来识别。

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