精密桌面小實驗，探索宇宙大奧秘

巨型超級對撞機不再是探尋新物理現象的唯一手段。一種新型的可安裝在桌面上的實驗裝置正用於探查暗物質和暗能量的本質，以及搜尋額外時空維度存在的證據。

作者Joshua Sokol

翻譯駱珂

校對楊陽、雨遇

要回答宇宙中那些重大的未解之謎，人們可能不再需要藉助於超級對撞機。幾十年來，理論物理學家們有一個夢想，就是探索物理學中的「西部荒蠻地帶」。那個地帶可能出現的奇異物理現象發在不超過一美元紙幣厚度的尺度上。在這個還沒有被探索的尺度上，你可能會有新的發現，假如你能搭建一個足夠「聰明」的實驗裝置，並且小到能夠安置在一張普通的實驗台桌上的話。在幾十微米的距離上——比一美元還要薄——像引力這類已知力的行為可能會變得怪異，或者說越發讓人著魔。同時，某種未知力的可能出現又會讓你猝不及防。目前，一種新生代小型桌面實驗裝置已經用開始運行，來探究這些可能的奇異物理現象。

其中一個實驗裝置採用懸浮的二氧化硅小球——「我們基本上用光來托起一個玻璃小球，」這個實驗小組的帶頭人安德魯·格拉齊說——「來尋找『隱形』作用力。」這種作用力之所以被稱為「隱形」，是因為它比我們所能想像到的任何作用力都要弱得多。今年3月初，他的小組在科學預印本網站arxir.org上傳的論文中宣稱，他們的測量精度已經到幾個仄牛的量級，1仄牛=10-21牛頓。1牛大約是我們按下一個電腦鍵盤上的字元鍵所需力的大小。

「質量上佳的人體磅秤的精度大約在0.1牛，」在美國里諾市（Reno）內華達州立大學任教的物理學家格拉齊說，「如果一個病毒落到你身上，將會產生10-19牛的重力，也就是說我們的測量精度比這個還要低大約兩個量級。」

這些實驗研究的目標是希望能在解決一些當今最有趣的物理學問題上扮演重要的角色。其中一些問題主要探討引力、暗物質和暗能量的本質是什麼。「這些實驗裝置能夠對這些事物進行多方位的探索。」普林斯頓高等研究院的物理學家尼瑪·阿凱尼·漢姆德這樣認為。比如，我們通過宇宙大尺度上的觀察所推斷出的數量龐大的暗物質，也許會在其與常規粒子發生相互作用時留下微弱的電荷；推動宇宙加速膨脹的暗能量，則也許會因為其「變色龍粒子」特性而被人們所認知。(編者註：在一個理論模型中，暗能量來源於「變色龍粒子」。)從理論上說，這種新型桌面實驗裝置可以探測這些奇異粒子。某些理論預言，在短程範圍內，引力要比預期值弱得多，而另一些理論則認為要強得多。如果弦論中假設的額外維度真實存在的話，那麼兩個相隔1微米的物體之間的引力值將會是牛頓引力定律計算值的1010倍。

麻省理工學院的物理學家珍妮特·康萊德沒有直接參与過任何這種小尺度實驗研究，但仍然認為這是對大型強子對撞機這種龐大的加速器的一種必要補充。她說：「我們現在的實驗裝置就像恐龍一樣，已經變得越來越大，越來越大。」但在這種給予某種基礎物理學以更靈活的研究機會的實驗平台上，少數幾個科研人僅憑藉小型裝置就可以做出很有影響力的工作，「我確信這是一個全新的研究領域。」她補充道。

對於像阿凱尼·漢姆德這樣的物理學家來說，研究那些超出人類想像極限的新物理是一件非常有趣的事情，因為這裡有一些奇妙的數值上的關聯。普朗克尺度是一個極微小的尺度，它比在大型強子對撞機中探索的粒子物理中最小的弱相互作用尺度還要小16個數量級。在普朗克尺度附近，量子引力作用將起主導作用，那將是一個全新的世界。

有些理論同時包括普朗克尺度和弱相互作用尺度，而通過這兩個尺度的混合，能得出新的尺度。（比如物理學家們先將弱尺度的長度做平方，再除以普朗克長度。）由此可從物理學中的這兩個基本尺度，得到一個在1微米和1毫米之間尺度。在這個尺度里，阿凱尼·漢姆德猜測可能會出現新的作用力和新粒子。

當物理學家們考慮那些充斥整個宇宙空間的暗能量的時侯，類似的尺度還會出現。我們估算在什麼尺度上，粒子的相互作用正好和暗能量相當。結果得到的數值結果竟然在100微米左右。這再次表明在這個尺度附近，是人們尋找新物理跡象的沃土。

人們在上世紀九十年代末就開始了這方面的實驗探索。阿凱尼·漢姆德和他的兩位同事提出引力會「流失」到額外空間維度的觀點，它可以解釋為什麼與物理學中其他已知力相比，引力要弱得多。當尺度小於高維空間的大小時，引力還沒有來得及「泄漏」，它的吸引作用將比人們的期望值要大得多。科學家們計算出這將發生在大約小於1毫米的尺度內。

這些結果激發了艾德爾伯格和他的同事們尋找那些額外維度的熱情，而且他們早已有了這樣的搜尋設備。在上世紀八十年代，艾德爾伯格就和華盛頓大學的E?t-Wash小組共同建立了一套「扭秤」裝置。這套裝置非常靈敏，即便是很小的力也可使其產生扭轉反應。最開始，這個小組使用該裝置來尋找百年前實驗中提出的「第五種力」，但他們未能找到。「我們搭建了一套設備，但我們發現『第五種力』並不存在。」艾德爾伯格說，「這是非常有趣的，而且比我們想像的要容易得多。」

現在他們準備著手論證阿凱尼·漢姆德的預言：在很小距離範圍內，物體間的引力——在引力「泄漏」到額外維度之前——會比牛頓理論所預言的強得多。（編者註：在d維空間，引力和距離的關係是r-d+1。如果多餘維度空間的尺度是一毫米，那麼在一毫米以外，多餘的維度不起作用，引力和距離的關係是d=3維的r-2。在一毫米以內，引力和距離的關係將是d>3維的r-d+1。也就是說當距離小於一毫米時，引力隨著距離的減少所導致的增加，會快於牛頓定律的r-2。）

自從2001年以來，這個小組已經發表了一些由4個扭秤裝置測量得到的結果。他們的測量精度在不斷提升。但到目前為止，他們還未曾探測到任何微小維度。該小組首次報道的是粒子間距為218微米時引力行為正常。然後，他們將粒子間距縮小到197微米、56微米，直至2013年報道的42微米。今天，他們的測量數據來自於兩套配有不同擺的扭秤裝置，其中一個擺的扭動的速率由引力強度來決定，而另一個會一直保持靜止直至引力行為異常。

但遺憾的是，他們沒能將引力測量間距縮小至42微米以內。目前，他們正在抓緊修改2013年的分析過程，希望儘快發表最新的測量數據。不過，艾德爾伯格還在猶豫是否談起他們正努力推進的最新測量極限。他說測量間距的極限不太可能低於20微米。「當你開始做一件事的時候，挑戰相對比較低，」他說，「但是隨著測量間距的縮短，測量也會越發艱難。」

從原子物理借鑒過來的實驗技術表明，也許另一種實驗手段可以幫助人們翻越這個障礙，將測量間距優化到納米尺度。

在2010年，格雷西，一位在科羅拉多州博爾德市國家標準和技術研究所里工作的物理學家，提出了一個微尺度探測「隱形力」的方案。她們用懸浮的玻璃小球取代華盛頓大學實驗小組裝置中的擺，做為微力捕捉器，其中小球的懸浮是由於激光的「托舉」。通過測量懸浮小球中臨近小球的位置改變，可以得到分散在幾個微米範圍內的額外維度的引力值。

儘管這個實驗裝置可以探測距離更短的粒子間的引力，但是存在一個問題。這就是大質量物體間的引力更容易測量，但格雷西的設計方案（已搭建完畢）採用的是直徑僅為0.3微米的小球。目前在喬治·格雷特實驗室工作的斯坦福大學物理學家大衛·摩爾有他自已的實驗方案，他選用了更大的玻璃小球作為研究對象，小球直徑設定為5微米。與E?t-Wash小組採用的是測量間距為幾厘米的扭稱裝置相比，顯然，這兩個實驗小組都以犧牲更大的引力信號來換取短程範圍內的高精度。

格雷西和摩爾實驗中小球的質量太輕，以致於他們還不能直接測量引力對鄰近物體間的吸引作用。他們唯一能觀察到的是物體間的引力是否確實會比牛頓定律計算值大。如果引力或者其它力被實驗中可能觀察到的一些怪異作用遮掩，那麼將給測量帶來更大的困難。華盛頓大學的博士後查理·哈格多恩說：「關於引力，我們通常喜歡指出的一件事情是，擁有高靈敏度的力學探測儀是引力測量遊戲中最基本的籌碼。」艾德爾伯格補充說：「如果你想知道引力在做什麼，你就必須要能探測到它。」

點擊播放 GIF/95K

圖1 尋找引力的「泄漏」

由激光束（紅色）托舉的二氧化硅小球（藍色）懸浮在大量的密度會發生變化的物質（綠色）附近，這種物質的密度大小來回震蕩。當高密度物質（深綠色）靠近小球時，它會給小球一個額外的引力（A）。如果引力在小距離內行為異常，引力就應該是大於（B）或者小於（C）的期望值。

但是對於格雷西和摩爾來說，懸浮小球不僅是他們用於探測引力的手段，更是他們探究許多微物理現象的通用平台。摩爾說：「眼前的情形是，一旦你能夠測量這些微力，就意味著你可以做更多的事情。」2014年年末，摩爾進行了一項實驗，試圖尋找一種帶電量遠小於單電子電量的粒子。一些暗物質模型認為這些「微帶電」粒子形成於宇宙誕生初期，而且一直潛藏在普通物質之中。

為了尋找這些粒子，摩爾做了一系列實驗。首先他將一些帶正電小球放置於一對電極之間，然後用脈衝紫外光輻照整套裝置，以驅使電子逃離電極。這些逃逸的電子附著於那些帶正電的小球，使其呈電中性。最後，他再施加一個電場。如果有任何「微帶電」粒子仍附著在小球上，它們將會產生一個很小的作用力。摩爾沒有觀察到任何力的作用，這意味著「微帶電」粒子的帶電量必須要足夠小，或者是這些粒子分布要足夠稀疏，更或者是兩者兼備。

點擊播放 GIF/33K

圖2 探尋「微帶電」粒子

二氧化硅小球（藍色）置於兩個電極之間（灰色）。實驗開始時，小球帶微量凈正電荷，在電極上施加交變電流，小球就會上下振蕩（A）。然後用紫外光輻照小球使其呈電中性，那麼小球就會停止振蕩（B）。然而，如果存在「微帶電」粒子，被「微帶電」粒子附著的小球將會在交變電場的作用下有一個微小的振蕩（C）。

摩爾和他的同事亞歷克斯·賴德在今年4月發表的工作中採用了微米小球來尋找可用於解釋暗物質的所謂的「變色龍」粒子，最終也一無所獲。這個實驗結果與加利福尼亞大學伯克利分校的實驗小組在Science期刊上發表的結果一致。

「這些微尺度實驗——我不知道用英語該怎麼描繪——『白費力氣』？」斯坦福大學的物理學家薩瓦斯·迪莫普洛斯說。他在與阿凱尼·漢姆德共同合作的論文中提議尋找毫米尺度的額外維度。「也許你確實不知道到哪裡尋找，但是你可以在你能到達的任何地方尋找。」

迪莫普洛斯把這些桌面實驗探索裝置比喻為充滿前景的作坊式小工業。它們為研究那些有挑戰性的理論提供了一種廉價的可選擇的實驗手段。「這些觀點已經提出了40多年，卻一直被束之高閣，因為在基礎物理的實驗研究方面，人們更願意把目光投向巨型粒子加速器。」

近3年來，迪莫普洛斯一直在呼籲人們關注這個領域。有幾個主攻短程力研究方向的實驗小組正在運行中，但是沒有得到足夠的重視，且科研經費缺乏。「這個研究領域甚至還沒有一個合適的名字。」他說。

迪莫普洛斯提出的「超級實驗室」設想也許會對這個領域的發展有所幫助——把很多這樣的桌面實驗裝置放在一起，就像已經建立的高能項目中的大型強子對撞機那樣。對康拉德而言，她當然希望這些努力可以獲得更多的支持，但是她認為這些裝置應該放在大學裡面。

撇開分歧，雙方一致認為在尋找低質量粒子的道路上還需要付出更多的努力，尤其是對那些質量所對應的尺度比人類頭髮絲直徑略小的粒子。（編者註：結合普朗克常數h和光速c，質量m可對應於一個空間尺度h/mc。）「應該有一個容許低能低質量粒子研究生存的大環境，」迪莫普洛斯說，「畢竟高能物理學不是世上唯一的前沿領域。」

請您繼續閱讀更多來自 賽先生 的精彩文章:

TAG:賽先生 |

※小實驗大智慧，科學思維啟蒙，點亮求知慾探索
※開售｜小實驗大智慧，科學思維啟蒙，點亮求知慾探索
※明日開售｜小實驗大智慧，科學思維啟蒙，點亮求知慾探索
※宇宙的深淵黑洞！面對面探索黑洞的奧秘！
※修鍊探索：幾個練丹的小秘密
※探索和服的秘密
※探索生命起源的偉大實驗——尤里米勒實驗
※探索宇宙之「暗」或是解開宇宙奧秘的關鍵點
※探索宇宙奧秘：研究顯示宇宙不存在
※探索大腦的奧秘，人造大腦
※探索宇宙奧秘中的三大奇聞異事
※探索神秘的圖坦卡蒙陵墓
※探索太空的奧秘：解析宇宙的奇幻之旅
※探索張三丰太極靜功的奧秘
※探索太陽的奧秘：神奇的巨大火球
※探索黑洞奧秘：黑洞盡頭為另一平行宇宙
※悅麗-帶你探索光與暗的奧秘
※好奇寶寶探索電視製作的驚天奧秘！
※你不知道的宇宙，探索宇宙的奧秘！