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每个人都有可检测的引力场吗?

无论多么微小,了解科学家如何探测人类重力场。

作者:保罗·M·萨特
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科学家测量零重力。图片来源:Frame Stock Footage/Shutterstock

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从技术上讲,宇宙中每一个具有质量或能量的物体都会发出引力场,科学家已经能够测量比人类小得多的物体的引力场。

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广义相对论

爱因斯坦凭借其杰作广义相对论,彻底改变了我们对引力的理解。该理论将我们对引力的看法从物体与质量相关的简单属性转变为宇宙中空间和时间在质量物体存在时可以弯曲、弯折和扭曲的视角。

根据广义相对论,几乎所有事物都能弯曲时空:任何具有质量、能量和张力的事物。自然,质量和能量更大的物体比质量和能量更小的物体更能弯曲时空。此外,物体越紧凑,它们弯曲时空的能力就越强。

例如,一个普通的黑洞其质量并不比太阳大多少,但它被压缩到一个如此小的体积——只有几英里宽——以至于它可以产生一个事件视界,在那里没有任何东西可以逃脱。


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微弱的重力场

但总的来说,引力极其微弱。它无疑是自然界四种基本力中最弱的。即使引力比现在强亿万倍,它也仍然是自然界中最弱的力。引力如此奇特地微弱,甚至有一项主要的活跃物理研究项目致力于理解其原因。

需要大量的质量才能产生一个像样的重力场。地球重达6*10^24千克,但你只需举起手臂就能克服它的全部引力。然而,要永久完全摆脱地球的引力,确实需要一点努力:你必须达到逃逸速度,即每小时25,000英里。

为了说明人类重力场的微小,我们可以将逃逸速度按比例缩小到质量更小的物体。小行星龙宫是一颗近地小行星,也是日本隼鸟2号任务的目标,重约5*10^11千克,半径约为1476英尺。它的逃逸速度小于每小时一英里:你可以从龙宫表面跳得足够高,然后永不返回。

如果我们假设一个人的平均体重为154磅,半径为3.36英尺(为了简化计算,我们假定人是完美的球形),我们自身的逃逸速度约为每秒100微米。换句话说,没有任何东西以任何方式、形式或形状被我们引力束缚。即使你所在房间里飘浮的空气分子也有足够的 H 速度,可以毫不犹豫地从我们身上弹开。

测量人类重力场

尽管重力场如此微小,但科学家们已经设计出巧妙的实验来测量它。2021年,奥地利维也纳大学的一个科学家团队取来两个金球,每个仅重90毫克——大约芝麻大小。他们将其中一个悬挂在摆锤上,并以特定模式振动另一个。隔离实验中所有噪声源是一项了不起的壮举,但他们可以使用激光测量自由摆动的金球的位置。

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当他们在自由摆动的球体中发现相同的振动模式时,他们知道自己正在测量他们所控制的球体的引力。这是迄今为止探测到的最微小的引力场。他们的实验非常灵敏,研究人员声称他们甚至可以探测到维也纳马拉松赛的第一名冲线者,而此人距离他们的实验室超过1.2英里。

所以,尽管人类的引力场非常微弱,但我们实验的灵敏度足以测量它。

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  • 保罗·M·萨特

    保罗·M·萨特是一位理论宇宙学家、NASA顾问、“Ask a Spaceman”播客主持人,以及美国文化大使。他是《你的宇宙之位》和《如何在太空中死去》的作者。

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