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[科技] 全新的引力实验，能否揭开宇宙最黑暗的谜团？

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楼主
霹雳大仙 发表于 3 天前 | 只看该作者
 
在没弄清什么是力，什么是质量，什么是能量之前，所有研究都白搭。
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沙发
别林斯基 发表于 前天 00:14 | 只看该作者
 
宇宙真的真空吗？要是，光如何传播？引力波如果传播？
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板凳
花开复古风 发表于 前天 08:54 | 只看该作者
 
引斥力会否是某一机理下的一体两面，比如不同尺度下的盲人摸的象
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丿二丨 发表于 前天 11:06 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
全新的引力实验，能否揭开宇宙最黑暗的谜团？ 第1张图片





20世纪末，两组科学家各自独立发现了宇宙最大的谜团之一：通过追踪遥远的超新星并测量宇宙的距离，他们意识到，宇宙的膨胀速度远远超过出了理论认为它应有的速度。研究人员把这种推动宇宙膨胀的神秘力量称为“暗能量”。据估计，整个宇宙约70%的物质和能量都是以暗能量的形式存在的。


但20多年过去了，尽管理论学家对推动空间膨胀的实际原因进行了大量推测，但还没有人知道暗能量究竟是什么。


近日，加州大学伯克利分校的物理学家突破了这种搜寻的界限。他们建立了极其精确的实验，来寻找与公认的引力理论之间的微小偏差。研究已于近日发表在《自然·物理》上。




  藏在暗处的力  


自从暗能量发现以来，理论学家提出了多种可能的理论解释。一种理论认为，暗能量只是空间的真空能。也有人提出，它是一种被称为精质（quintessence）的能量场，会随着时间和空间的变化而变化。


而还有说法认为，暗能量其实是“第五种力”。这要从其他四种力说起。现在主流物理学认为，自然中存在四种基本力，即电磁力、强力、弱力和引力。人们已经找到了描述其中前三种的量子性质的行之有效的理论。虽然大多数理论学家可能都认同引力同样是量子的，但引力的量子性质暂时还没有得到证实，其中一个重要原因是相比于其他三种力，引力太微弱了。


而暗能量很有可能是一种比引力还要弱得多的力，同样由一种粒子介导。比如，有一种猜想认为，它施加的斥力会随着周围物质的密度而变化。在“空”的太空中，它会在极长的距离上施加斥力，从而将空间推开。而在地球实验室里，由于周围都有物质遮挡，粒子的影响范围就变得非常小，它可能就像变色龙一样隐藏在众目睽睽之下。科学家把这种假象粒子形象地称为变色龙粒子。


而想要解开这个谜团，就需要找到切实的实验证据。




  原子干涉测量法  


测量引力或者变色龙粒子这样微弱的力，需要一种足够灵敏的方法。科学家注意到，原子干涉测量法对引力或惯性效应格外敏感。同时，原子干涉法还利用了粒子特殊的量子特性，那就是，它既是粒子，又是波。


2015年，研究团队改装了原子干涉仪。他们利用真空室模拟太空环境，将铯原子发射到真空室来寻找变色龙粒子的证据。这种利用自由落体的原子来测试引力的关键在于，它能否激发每个原子进入两种态的量子叠加，每种态都有略微不同的动量，使得它们与悬挂在上方的钨砝码的距离也有所不同。动量越大、高度越高的量子态，会感受到砝码更大的引力，从而改变相位。当原子的波函数坍缩时，物质波两部分之间的相位差就能揭示它们之间引力的差异。


全新的引力实验，能否揭开宇宙最黑暗的谜团？ 第2张图片

研究人员将一小簇铯原子（粉色圆球）固定在一个垂直的真空室中，然后将每个原子分裂成一种量子态，在这种量子态中，一半原子比另一半原子更接近钨砝码（圆柱体）。通过测量两半原子波函数之间的相位差，能够计算出原子两部分之间引力的差异，这与牛顿万有引力的预期相吻合。（图/Cristian Panda，UC Berkeley）



如果在这样的实验中能够找到与公认引力理论之间的偏差，很可能就是变色龙粒子的证据。


在当时的实验中，在原子在一个重型铝球上方上升和下降的10到20毫秒时间里，团队没有检测到任何偏离牛顿引力预测的常规引力现象。但是，十数毫秒的时间毕竟太短了。如果能让原子维持更久，测量的灵敏度就会呈指数级增加。这就为原子干涉测量提供了一个新的方向。




  更长的时间  


2019 年，研究人员在原子干涉仪中添加了一个光学晶格。光学晶格采用两束交叉的激光束，形成一个类似晶格的稳定阵列，让原子聚集在一起，悬浮在真空中，将自由下落的原子固定在适当的位置。原子成功地在更长的时间里靠近钨砝码，就能增强引力对相位的影响。


全新的引力实验，能否揭开宇宙最黑暗的谜团？ 第3张图片

光学晶格将原子簇（蓝色圆盘）俘获成规则阵列，这样就可以对它们进行一分钟以上的研究。单个原子（蓝点）被置于量子空间叠加中，也就是说，同一时间处于两层不同晶格中，由细长的黄色带表示。（图/Sarah Davis via 
UC Berkeley
）



实验发现，装置升级后原子维持的时长甚至可以达到惊人的20秒。但研究人员想知道20秒是否就是极限。在接下来的几年间，他们又进一步确定了激光束因振动而产生的摆动倾斜是限制时长的主要因素。通过在谐振腔内稳定光束，并将实验温度下降（比绝对零度高不到百万分之一开尔文），保持时间甚至被延长到了70秒。这个时长甚至可能还能继续被延长10倍。

全新的引力实验，能否揭开宇宙最黑暗的谜团？ 第4张图片

红外激光发出的紫光照亮了实验中用到的光学工作台。激光用来精确控制真空室中铯原子的量子态。（图/Holger Müller lab，UC Berkeley）



在这次新报道的引力实验中，研究人员还提到，他们也能用较短的时长（2秒）换取更大的波包分离度，使这种分离度达到了几微米。


每次实验的真空室中约有10000个铯原子。它们分布足够稀疏，无法相互影响。形象地说，每个原子被分成两个波包，它们处于两种高度的叠加。然后，可以把每个波包“装”入一个单独的晶格位点，或者说一个单独的“架子”上，看起来就像一个整理好的橱柜。当晶格关闭时，波包会重新结合，而在此期间获得的所有量子信息都可以被读出，从而寻找引力效应。这些都为在量子层面探测引力和其他现象提供可能。




  精度的不断提高  


研究人员提出，实验精度的不断提高最终可能会发现支持或者否定由变色龙粒子介导的假想第五种力理论的证据。


团队也正在从头开始制造一种新型晶格原子干涉仪，它具有更好的振动控制和更低的温度。这种新型设备的实验效果可能更好，灵敏度甚至有望达到探测引力的量子特性的水平。


#创作团队：

编译：Takeko

排版：雯雯

#参考来源：

https://news.berkeley.edu/2024/06/26/with-a-new-incredibly-precise-instrument-berkeley-researchers-narrow-search-for-dark-energy/

#图片来源：

封面图&首图：Cristian Panda/UC Berkeley



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标签：加州橱柜引力最新研究引力有多强研究人员
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