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微小物体与距离的引力

将我们固定在地表的力量,在更小的尺度上是否会以不同的方式运作?

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在西雅图华盛顿大学的一个实验室里,一些物理学中最大问题的答案悬于一线。这根线由钨制成,长约30英寸,厚度不到千分之一英寸。它是桌面仪器扭秤的一部分,该仪器可以以前所未有的精度测量引力在小距离上的强度。

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尽管引力作用于大质量物体和长距离的行为已经广为人知,但引力在极小距离内作用于小物体之间的行为仍是未知的领域。没有人知道牛顿定律(即引力的大小与物体之间距离的平方成反比)是否在那个尺度上仍然成立。约翰霍普金斯大学的理论物理学家拉曼·桑德拉姆(Raman Sundrum)认为它们不再成立。如果他对了,那么西雅图的实验可能会解释宇宙另一半的奇特现象。

七年前,宇宙学家们发现了一件令人震惊的事情:宇宙的膨胀正在加速,这可能由一种称为暗能量的排斥力驱动。这种力似乎是真空本身的基本属性。从某些方面来说,这是有道理的,因为根据量子力学,真空并非真的空无一物。

相反,真空充满了不断出现和消失的场和粒子。问题在于,当物理学家估计这些场和粒子包含多少能量时,他们得出的一个数字——称为宇宙学常数——大得惊人,比我们观测到的值大 10¹²⁰ 倍。如此巨大的宇宙学常数会迅速撕裂宇宙。这是一个令人尴尬的错误,通常被描述为物理学史上最大的数学错误。

桑德拉姆怀疑这个错误告诉我们必须改变对引力的看法。他提出了一个奇异而有趣的设想,即引力是由一种称为“胖引力子”的粒子传递的,这种粒子可能宽达百分之二英寸——与构成原子的粒子相比,这相当巨大。这种胖引力子几乎不与“真空”中翻腾的物质和能量相互作用,从而消除了宇宙学常数大小上的 10¹²⁰ 倍误差,同时又留下了足够的能量来解释宇宙观测到的加速膨胀。与许多当前的物理学推测不同,桑德拉姆的观点是可以检验的。在他的模型中,胖引力子倾向于忽略比它小的物体,因此引力在如此短的距离上应该会开始减弱。

华盛顿大学的布莱恩·海克尔(Blayne Heckel)、埃里克·阿德尔伯格(Eric Adelberger)及其同事正在他们的实验室中寻找这种效应,他们试图测量一对两英寸宽的钼圆盘之间的引力吸引:一个悬挂在钨丝上,另一个在轴承上自由旋转。他们正处于桑德拉姆效应应该开始显现的尺度边缘。一些初步结果暗示引力可能确实显示出减弱的迹象,但研究人员需要消除系统误差才能得出结论。“这非常令人兴奋,”桑德拉姆说。“但这确实是一个非常困难的问题。很多人都有过想法,所以我尽量保持谨慎。我肯定还没有欢呼雀跃。”

即使这些发现不支持胖引力子理论,它们也可能为其他猜测性理论设置限制,例如 Gia Dvali 的观点,即引力相对于其他力非常弱,是因为它大部分逃逸到了我们体验到的三个维度之外的更高维度。纽约大学的物理学家 Dvali 是受弦理论的启发,弦理论认为宇宙可能是一个十一维结构——而且是一个“渗漏”的结构。“我们意识到这种渗漏可能导致宇宙加速膨胀,所以也许根本不存在暗能量,”Dvali 说。

Dvali 的理论与桑德拉姆的理论一样,是可以检验的。它预测月球的进动——其自转轴变化的速率——比爱因斯坦的广义相对论预测的要略小。通过月球测距实验,也就是向阿波罗宇航员留在月球上的反射器发射激光并接收回波,就可以解决这个问题。

“目前的精度令人震惊,”Dvali 说。“我们知道月球轨道的偏差在约一厘米的范围内。如果我们能将其降低到一毫米,我们的理论就可以得到检验。引力是最大的谜团。它是我们已知的最古老的力量,但我们对它的了解却少之又少。”


一个体重 150 磅的人站立在……的重量

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一个碳原子:10⁻³⁵ 磅

一粒尘埃:10⁻²⁷ 磅

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旅行者 1 号探测器:10⁻⁷ 磅

一颗白矮星:40,000,000 磅

我们星系的黑洞:70,000,000 磅

一颗中子星:20,000,000,000,000 磅

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无法解释的存在之轻

引力的作用主导着巨大的物体——行星、恒星或黑洞。然而,对于小物体来说,引力的作用完全被其他三种基本力所淹没:强力(维持原子核结合)、弱力(控制放射性衰变)以及电磁力(结合分子)。引力的相对弱小,这里通过人在不同宇宙环境下的体重来体现,是物理学上的一大谜团。


哈佛大学的物理学家尼玛·阿尔卡尼-哈默德(Nima Arkani-Hamed)认为,其他宇宙的存在可能解释了引力的弱小以及驱动我们宇宙膨胀的“反引力”的本质。

宇宙加速膨胀与多重宇宙的存在有什么联系? 答:

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宇宙加速膨胀的观测,使一场危机显现出来。这是我们基本理论中又一个似乎被微调到恰到好处的参数。如果它稍大一点,宇宙就会是空的。但如果多重宇宙图景是正确的,并且存在所有这些不同的宇宙,那么宇宙学常数的值就可以在不同宇宙之间随机变化。我们不应该惊讶于发现一个宇宙的宇宙学常数不会对我们的存在致命。

你为什么称之为危机? 答:

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因为这不是绝大多数物理学家想要走的道路。如果我们的宇宙不直接连接到一套固定的参数,那么弄清楚基本物理学的任务就会变得更加困难。我的感觉是,新方向——将我们的宇宙看作是多重宇宙的一部分——很可能是正确的,而现在所有的争议都源于我们正处于一个艰难的诞生过程的中间。这将开启我们甚至还没有语言来提问的新问题。

如果存在许多宇宙,那

是否意味着所有可能存在的宇宙都存在? 答:

并非你梦想中的任何宇宙都存在——不会有独角兽的宇宙!存在一些潜在的物理理论,比如弦理论,这个理论会产生大量的可能宇宙,但并非所有可以想象的宇宙。即便如此,这些新观点带来了完全不同的尺度感。人们谈论的宇宙数量,粗略估计是 10⁵⁰⁰。这远远超过了我们宇宙中原子的数量。因此,我们在多重宇宙中的重要性将远远小于一个原子在我们宇宙中的重要性。

我们对其他宇宙的信念是否将永远依赖于间接证据,例如引力测试,还是我们能找到确凿的证据? 答:

有一天,我们可能会找到一种更直接的方法来实际看到其他宇宙。科学上许多最重要的思想最初要么被拒绝,要么遇到了很大的阻力,因为我们无法看到所涉及的物体。例如,原子就是这样。曾经存在过整个逻辑实证主义的哲学运动,他们认为如果你看不见它,它就不存在;现在我们已经用电子显微镜看到了原子。同样的事情也可能发生在其他宇宙上。从原理上来说,观察它们并非不可能。至少,我们不知道有任何定理说它是不可能的。情况不像制造永动机或超光速旅行。事实上,我现在正在考虑一个简单的、基于地球的实验,可能会发现其他宇宙的微小气泡的证据。

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