【資料圖】

引力是一種無法分離的非常微弱的力量，這使得它的測量具有不可思議的挑戰(zhàn)性。當(dāng)你測量兩個(gè)物體之間的引力時(shí)，你還必須估計(jì)宇宙中所有其他物體的影響。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)械和工藝工程系教授Jürg Dual解釋說：“解決這種情況的唯一選擇是用盡可能多的不同方法測量引力常數(shù)?！彼退耐逻M(jìn)行了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)來重新確定引力常數(shù)，現(xiàn)在他們的工作已經(jīng)發(fā)表在著名的《自然-物理學(xué)》雜志上。

Dual的團(tuán)隊(duì)在前 Furggels Fortress 設(shè)置了他們的測量設(shè)備，該實(shí)驗(yàn)室位于瑞士Bad Ragaz的Pf?fers附近，目的是為了盡可能地排除干擾源。掛在真空室中的兩根橫梁構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)裝置。在研究人員設(shè)置一個(gè)振動后，引力耦合導(dǎo)致第二個(gè)光束也表現(xiàn)出最小的運(yùn)動（在皮米范圍內(nèi)）。研究人員使用激光設(shè)備來測量這兩束光的運(yùn)動，通過分析這種動態(tài)效應(yīng)，他們能夠估計(jì)出引力常數(shù)的大小。

研究人員用這種方法得出的數(shù)值比科學(xué)和技術(shù)數(shù)據(jù)委員會目前給出的官方數(shù)值高2.2%。然而，Dual承認(rèn)，新的數(shù)值受制于大量的不確定性：“為了獲得一個(gè)可靠的數(shù)值，我們?nèi)匀恍枰獙⑦@種不確定性減少相當(dāng)多。我們已經(jīng)在用稍加修改的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測量，以便我們能夠以更大的精度確定常數(shù)G?！?初步結(jié)果已經(jīng)出來了，但還沒有發(fā)表。盡管如此，Dual證實(shí)“我們在正確的軌道上”。

研究人員從蘇黎世遠(yuǎn)程運(yùn)行該實(shí)驗(yàn)，這最大限度地減少了對現(xiàn)場人員的干擾。該團(tuán)隊(duì)可以在他們選擇的任何時(shí)候?qū)崟r(shí)查看測量數(shù)據(jù)。

洞察宇宙的歷史

對于Dual來說，新方法的優(yōu)勢在于它通過移動光束動態(tài)地測量引力。他說：“在動態(tài)測量中，與靜態(tài)測量不同，不可能分離出其他物體的引力效應(yīng)，這并不重要?！边@就是他希望他和他的團(tuán)隊(duì)能夠利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)來幫助破解引力難題的原因。科學(xué)界仍然沒有完全理解這種自然力或與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

例如，對引力的更好理解將使我們能夠更好地解釋引力波信號。2015年，在美國的LIGO觀測站首次探測到這種波。它們是兩個(gè)在軌道上運(yùn)行的黑洞在距離地球約13億光年處合并的結(jié)果。從那時(shí)起，科學(xué)家們已經(jīng)記錄了幾十個(gè)這樣的事件；如果能夠詳細(xì)追蹤這些事件，它們將揭示出對宇宙及其歷史的新見解。

Dual在1991年開始研究測量引力常數(shù)的方法，但他的工作曾一度被擱置。然而，LIGO對引力波的觀測給它帶來了新的動力，2018年他恢復(fù)了研究。2019年，項(xiàng)目組在Furggels Fortress 建立了實(shí)驗(yàn)室，開始了新的實(shí)驗(yàn)。除了Dual小組的科學(xué)家和一位統(tǒng)計(jì)學(xué)教授外，該項(xiàng)目還涉及基礎(chǔ)設(shè)施人員，如潔凈室專家、一名電氣工程師和一名機(jī)械師。“如果沒有多年的團(tuán)隊(duì)努力，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是不可能實(shí)現(xiàn)的，”Dual說。他將在今年7月底成為一名名譽(yù)教授。他說：“一個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)是結(jié)束我職業(yè)生涯的一個(gè)好方法。”