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用磁悬浮和激光冷却,他们测出了最微弱的引力

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我们都知道,引力是一种基本的自然力,它使得所有的物体互相吸引。牛顿给出了引力的经典公式,即两个物体之间的引力正比于它们的质量之积,反比于它们的距离的平方。这个公式可以很好地解释行星的运动,以及地球上的重力现象。但是,当我们考虑更强大的引力场时,牛顿的引力就不够用了。爱因斯坦的广义相对论给出了一个更完善的引力理论,它把引力解释为时空的弯曲。广义相对论可以解释一些牛顿引力无法解释的现象,比如引力红移,引力透镜,以及最近被直接探测到的引力波。

然而,广义相对论也有它的局限性。它是一个经典的理论,也就是说它没有考虑到量子力学的效应。量子力学是描述微观世界的物理理论,它告诉我们,物质和能量是以离散的量子的形式存在的,而且有不确定性和概率性的特征。量子力学和广义相对论之间的关系是一个尚未解决的难题,我们还没有一个能够同时描述引力和量子的理论,也就是所谓的量子引力理论。



为了寻找量子引力理论的线索,我们需要在实验上探测引力和量子的交叉现象。比如,我们可以问,一个处于量子叠加态的物体,会产生怎样的引力场?或者,两个处于量子纠缠态的物体,会不会有引力纠缠?这些问题听起来很奇妙,也很有意义。它们可以帮助我们理解引力的本质,以及它和量子的关系。

但是,要回答这些问题,我们需要有一种方法,能够在实验室里精确地测量微小物体之间的引力。这并不容易,因为引力是一种非常弱的力,它很容易被其它的力所掩盖。比如,电磁力,摩擦力,空气阻力,热噪声等,都会对微小物体的运动产生影响,使得引力的效应难以观察。

那么,有没有一种方法,能够把微小物体从其它的力中隔离出来,只让它们受到引力的作用呢?答案是有的,那就是利用悬浮技术。悬浮技术是一种让物体在空中静止或运动的技术,它可以利用不同的原理,比如磁力,电力,声力,光力等。悬浮技术可以把物体从接触力,摩擦力,空气阻力等干扰因素中解放出来,使得物体的运动更加自由和灵敏。如果我们能够用悬浮技术来操纵微小物体,那么我们就有可能测量它们之间的引力。

这就是最近发表在《科学进展》上的一篇论文的主要内容。这个实验的主要设备是一个由钽制成的超导陷阱,它的形状是一个圆柱体,高度为10厘米,直径为5厘米。这个超导陷阱的作用是产生一个稳定的磁场,用来悬浮一个磁性粒子。这个粒子的质量为0.4毫克,直径为0.5毫米,由氧化铁和树脂制成。这个粒子被放在超导陷阱的中心位置,然后用一个低温制冷机,把超导陷阱的温度降到4.2开尔文,使得它进入超导状态。这样,这个粒子就被磁悬浮在空中,而且可以在三个方向上自由振动。



为了测量这个粒子的振动,作者使用了一种光学干涉技术,即激光多普勒冷却。这种技术的原理是,利用一束激光,照射在这个粒子上,然后用一个光电探测器,接收反射回来的激光。由于多普勒效应,当这个粒子运动时,它会改变反射激光的频率。这样,通过测量反射激光的频率变化,就可以得到这个粒子的速度和位置信息。同时,这个激光还有一个作用,就是对这个粒子施加一个与它的速度成正比的反向力,从而使得它的振动减弱,达到冷却的效果。这样,这个粒子的温度可以降到微开尔文的量级,也就是接近绝对零度。

为了对这个粒子施加引力梯度,作者使用了一些重达一公斤的黄铜块,作为引力源。这些黄铜块被安装在一个旋转的平台上,可以以一定的角速度和角加速度旋转。当这些黄铜块旋转时,它们会对这个粒子产生一个周期性的引力梯度,从而使得这个粒子的振动频率和振幅发生变化。作者通过调节这些黄铜块的位置、数量、旋转速度和旋转方向,来改变引力梯度的大小和方向。他们还使用了一个电子天平,来测量这些黄铜块的质量,以及一个光电编码器,来测量这些黄铜块的旋转角度。这样,他们就可以精确地控制和计算引力梯度的值。

他们发现,他们能够在10^-18牛顿的力灵敏度下,观察到引力的信号。这是目前实验室里测量引力的最低力灵敏度,也是第一次用悬浮的微小粒子来探测引力。这篇论文的意义在于,它为实验室里的引力测量开辟了一条新的途径,也为未来的量子引力实验提供了一种可能的平台。

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