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两个“芝麻”之间的引力有多大?

李存濮 中国科学技术出版社 2023-07-11

科学家测定了两个芝麻大小的小金球之间的万有引力。|Tobias Westphal, University of Vienna

作者|李存璞 重庆大学化学化工学院副教授

引力是自然界的一种基本力,它无处不在,实际却非常微弱。比如,你可以感受到2.5米之外另一个人的万有引力吗?恐怕很难。


不过最近科学家们测量到了与此同样微弱的引力效应——两个芝麻大小的小金球在距离几毫米时的万有引力。这是人类迄今测量到的最微弱的引力作用



万有引力:无处不在,却微乎其微

狂热的粉丝为了增强自己与偶像之间的相互吸引,可以把自己变成二百多斤的大力士,再疯狂拉近与偶像的距离。为了偶像,粉丝们在各种地方与人辩论、争执,毕竟他们与偶像的每一个细胞都在相互吸引——任何试图屏蔽这一吸引的努力都是徒劳的。直到有人问他们,他们与偶像细胞之间的引力到底有多大?

细胞与细胞之间的万有引力当然可以通过公式方便地计算出来,但要用实验测量到数据却很难。没错,尽管人们早就可以测出巨大星体之间的万有引力,但微小物体之间引力的测量仍然格外困难

人们早就可以测出巨大星体之间的万有引力,但微小物体之间引力的测量仍然格外困难。|Nature

其中原因有以下三点:

一是随着物体尺寸和质量减小,彼此之间的引力会急剧衰减。即使在高精度的实验室,也极难测量微小物体之间的相互吸引。

二是万有引力无处不在,且无法被屏蔽。这意味着一个待测量的小物体同时会受到无数物体的吸引,比如实验室外跑过的一条单身狗,都会对小物体产生难以忽略的引力波动,进而干扰实验。

三是由于引力实在太小,必须彻底排除各类干扰因素才能得到有意义的结果。干扰因素包括实验装置附近空气分子的随机碰撞、前面提到的实验室外运动物体引起的引力波动、环境电磁波带来的静电相互作用、空间中的各种振动(说话声、键盘的敲击声、经过的地铁)等等。

由于上述三个原因,在今年3月以前,人们只能测定厘米尺度物体之间的万有引力,对尺寸在1毫米以内物体之间的万有引力仍然无能为力,更遑论0.01 毫米大小的细胞了。


测量微小物体之间的万有引力需要排除各种干扰因素。

不过尺度终于得到了缩小。在2021年3月《自然》杂志发表的一项研究中,奥地利维也纳大学的科学家设计了精妙的实验,成功测定了两个芝麻大小的小金球之间微弱的万有引力。


测量两个“芝麻”的微弱引力

实验中测量的小金球半径约1毫米,质量只有约90毫克,彼此距离数毫米,其引力相当于站在2.5米外的一个人的吸引力。

如下图所示,为了测量两个小金球s和t之间的万有引力,研究人员利用一种精巧的结构——扭秤,将微弱到难以测量的引力转化为更为明显的光线偏转。他们用石英纤维吊着一根细杆,细杆两端放置着要测量的球t和用来平衡它的球a。这时如果用球s靠近球t,它们之间的万有引力会让石英纤维产生扭动,来自光电管的反射光线也会随之偏转。通过检测偏转的情况,即可测量球s与球t之间的万有引力。

实验用精巧的扭秤装置测量两个微小物体(球s和球t)之间的引力。
      
此次实验装置成功克服了前面提到的微小物体引力测定的三个难点。

对于困难1,力太小而难以测定,得益于现有物理学和电子学技术的发展,球t在纳米尺度的位移可以被检测到,从而测量精确到10-15 牛顿的力。

对于困难2,研究人员选择了交通不太繁忙的圣诞节假期进行实验(手动狗头,以及这似乎暗示了学物理的没有假期这一现状),以减少外界车流等带来的引力波动。

对于困难3,则采用了一系列屏蔽手段:比如采用镀金的铝片屏蔽球t和球s之间可能产生的电荷分布不均;将整个装置放入抽真空的法拉第屏蔽笼,以减少气体分子运动和外界电磁波带来的影响;将装置安置在有弹性的橡胶支架上,以避免环境振动带来的误差。

更为关键的是,研究人员找到了一种方法,来放大微小的引力相互作用,从嘈杂的噪声中识别出信号

找到有效方法从嘈杂的噪声中识别出信号,是此次实验成功的关键。|来自网络


由于两个小金球之间的引力作用实在太弱,尽管10-15 牛顿的力都可以侦测到,但各类环境变化均有可能导致石英纤维发生偏转——这使得我们想要获得的引力信号难以凸显,很可能淹没在嘈杂的噪声中。

为了解决这一问题,研究人员并不固定球s,而是让球s周期性地靠近和远离球t。在球s不断靠近-远离t的过程中,球t的位移信号被记录下来。之后对信号进行一点点简单的“变换”,就可以去掉随机噪声的干扰。结果发现,球t感知到的周期性的力恰好与球s周期性的运动频率一致。这说明实验成功将t与s的万有引力从众多干扰中分离了出来,万有引力F自然而然被成功计算。

由于t与s的质量可以轻松准确测定,结合前面测定的万有引力F,就可以计算出引力常数G。通过在圣诞节假期多次重复试验,研究人员测定得到的G的平均值为与目前公认的数值误差不超过10%,证实了这一方法用来测定微小物体之间的万有引力是可靠的。


万有引力来自量子纠缠?

从17世纪,牛顿被苹果砸中之后,就开始思考物体之间的相互吸引。到了20世纪,爱因斯坦的相对论让人们认识到,物体的引力会让周围时空弯曲。同时期诞生的量子力学虽能精确描述微观世界,却无法解释引力。

人们由此猜测,引力或许并不是根本的,而是从更基础的量子纠缠中产生

根据爱因斯坦的相对论,物体的引力会让周围时空弯曲。|Arkitek Scientific

所谓量子纠缠,是指系统中的多个微观粒子会形成一个整体,观测其中一个粒子,就可以立刻知道另一个粒子的状态,不受空间距离影响,瞬间发生,因而被称为“鬼魅般的超距作用”。


量子纠缠被称为“鬼魅般的超距作用”。引力可能从量子纠缠中产生。|来自网络

但如何验证万有引力与量子纠缠的关系呢?必然需要准确测定微观粒子之间的万有引力

这很难,毕竟前述的三个困难是摆在科学家面前的三道鸿沟。最近这项研究则拉近了这一鸿沟,给出了一系列放大信号、减少干扰的通用策略,来测量微小物体之间的微弱引力。

而在进入量子尺度之前,当然还可以再走近一步:比如先测定粉丝们与偶像细胞之间的万有引力,试着找找他们之间的量子纠缠。

注:上述内容为粉丝行为,请不要上升到偶像。

编辑|陈天真 

参考文献:
[1] Westphal, T., Hepach, H., Pfaff, J. et al. Measurement of gravitational coupling between millimetre-sized masses. Nature 591, 225–228 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03250-7
[2] Cavendish, H. 'Experiments to determine the Density of the Earth', Philosophical Transactions of the Royal Society of London, (part II) 88 p.469-526

文章由“科普研习社”(ID:cspbooks)公众号发布,转载请注明出处。

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