維也納大學的科學家最近成功測量了兩個直徑只有2毫米、質量只有90毫克的小球之間的引力。

人們覺得對引力很熟悉,其實並非如此,直到現在,科學家都無法把引力理論和量子力學很好的統一起來。這一方面是因為引力是物體間最弱的作用力。即使是測量宇宙空間大質量天體傳來的引力波,科學家需要兩個相隔非常遙遠的觀測站同時測量,才能儘可能地排除干擾信號。

那是測量像中子星或黑洞這樣巨型天體所發出的引力波。現在,科學家成功地測量了兩個只有芝麻粒那麼小的球體之間的引力。更重要的是,研究人員認為這個實驗為探索更小的、小到量子力學範圍內物體間的引力奠定了必要的基礎。

精細的實驗設施

這個實驗是在1797年卡文迪許扭秤實驗(Cavendish experiment)的基礎上精心改版而來。研究人員懸掛一根長桿,桿的兩頭各掛著每個只有90毫克的黃金球。橫桿從中心部位吊起,這樣兩端的小球和橫桿能在一個水平面上自由旋轉。桿的中心掛著一面鏡子,用於反射激光。

再用第三個一樣大的小球靠近其中一個球。按照理論,橫桿一端的球體會在引力的作用下出現位置的移動。橫桿的移動將帶動中心的鏡面一起轉動,繼而改變激光被反射的方向。

通過測量反射激光的偏轉,這個裝置能夠精確地測量兩個微型球體之間的引力。

繁雜的干擾信號

研究介紹說,這個實驗最難的地方在於排除無處不在的干擾,哪怕實驗設施3米之內有人走動,或是50米之內火車開過的動靜,都足以形成干擾。

最後,研究人員選定在冬天假期的晚上進行這項實驗,以最大化地降低干擾因素。

而且,整個實驗設施要置於真空的環境下。在創造真空環境之前,研究人員先注入氮氣,消除設施上存留的任何電荷。這還不夠保險,還在兩個金屬球之間放上一層法拉第盾(Faraday shield),消除任何靜電引力的影響。

在這樣的設置下,小球間的引力仍然是小到難以測量。研究人員還要將第三個小球按照一定的規律進行移動,造成一個有規律地在平面上移動的效果。同時移動的頻率要避開橫桿的自然振動頻率,以免形成共振又成為新的干擾。

微小的引力

研究人員終於測到,兩個小球之間的引力是 9 x 10-14牛頓。按照力學公式,研究人員還計算了引力常數,得到的結果與現有已知的結果誤差9%左右。研究者表示,相對於這樣小的測量範圍,這樣的誤差是在可以接受的程度。

90毫克的小球對於宏觀世界來說,已經是相當小了,可是對於微觀世界來說,還是比較大的物體。要想探索量子力學的世界,並與引力理論銜接,研究人員還得設計更小物體的實驗。比如,如果未來能夠測量處於量子疊加態中的微小物體所產生的引力從而確定其空間位置,那將具有劃時代的意義。

不過,同行認為目前的這個實驗已經邁出了重要的第一步。這份研究3月10日發表於《自然》(Nature)期刊。#