在量子世界找寻“迷失的维度”



在量子世界找寻“迷失的维度”

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在量子世界找寻“迷失的维度”


对隐藏空间维度的搜索再次落空 , 钟摆服从平方反比定律 , 没有落入隐藏空间维度的“陷阱” 。 已有一个美妙而优雅的理论 , 每一种自然基本力被装进一个灵巧而简洁的“包裹” , 整个理论框架或“包裹”集合为非常紧凑的单一体系 , 万有理论解释了万事万物的运动法则 , 其中包括了我们自身的运动 。 但至少在数学上很难理解 , 美妙而优雅的理论受到了损害 , 设想一下蒙娜·丽萨“蒙难”的头像 , 清纯而忧郁的眼睛被戴上蜡笔涂绘的眼罩 。
人们讨论了现代物理学的问题 , 为蒙娜·丽萨戴上“眼罩”的是引力 。 现代物理学的杰作消除了蜡笔绘制的眼罩 , 物理学家设想了很多方法 , 以创造单一性的统一理论 , 但没有证据支持他们的设想 。 在物理学层出不穷的理念中 , 有些涉及到了多维度理论 , 比如:弦理论 。 在接近10年的时间 , 物理学家孜孜不倦地搜索暗藏的空间维度 , 却一直徒劳无功 , 他们不会回心转意 。 现在 , 一项最灵敏的实验再次破碎了他们的希望 , 但十分成功的实验值得称赞和思索 。
【在量子世界找寻“迷失的维度”】量子力学和引力总是“磕磕碰碰” , 物理学家面临了两难选择 , 量子力学发生在固定的时空舞台 , 引力好像舞台上的演员 。 量子力学的这位“演员”动作不连续 , 常有惊险的跳跃和翻滚 , 而引力出现在平滑的时空和连续的结构体 。 迄今没有找到引力和量子力学冲突的解决方案 , 时常发生戏剧化的冲突 。 解决两者冲突的方法之一是引入4个以上的时空维度 , 人们不是对所有的科学领域都研究和理解得十分透彻 , 但所有时空的跳跃性和易变性可能被吸入到不能观测的维度中 , 但人们观测不到额外的空间维度 , 它们卷曲在非常微小的体积中 。
人们感觉不到量子引力幽灵般的存在 , 但微小粒子可能感知到量子引力的作用 , 设想一下粒子有一点质量 , 对周围的时空产生了“一丝一毫”的弯曲 , 微小的物体粒子发出了一点引力 , 相互吸引或双向作用的引力使得人们感受到了奇妙之处 , 但量子引力以非常特别的方式脱离了经典作用的范围 , 在三维空间的环境中 , 如果粒子之间的距离扩大到了2倍 , 粒子的相互引力还在 , 只是引力的大小减少了4倍 , 这被称为平方反比定律或牛顿的万有引力定律 , 经过了无数次的计算和验证 , 然而 , 假如存在3个以上的空间维度 , 那么引力大小将比由平方反比定律计算的值减少得更快 。 人们能够测量三维度空间的引力 , 当两个一定质量的物体尽可能地相互靠近时 , 测量在它们之间存在的引力 , 以此检验引力大小是否存在违反平方反比定律的情形 。
用18世纪的钟摆实验检验隐藏的时空维度 , 使用钟摆观测它的摇摆幅度和周期 , 附近物体可能对钟的摇摆产生影响 。 通常使用两个完全相同的钟摆 , 以观测它们之间发生了怎样的影响 。 遇到的问题是驱动的频率 , 不得不为钟摆补充能量 , 以保持钟摆的摆动 , 驱动频率与发出信号的频率保持一致 。 中国的科研人员为钟摆实验设计了新的方案 , 在一个圆盘的旁边设置了一个扭转钟摆 , 圆盘上有8个质量块 , 旋转频率和钟摆的摆动频率相同 , 当每一个质量块通过钟摆移动的顶端时都扰乱了钟摆的运动 , 发出信号的频率是钟摆振荡频率的8倍 , 发出的信号非常容易识别 。
中国科研人员的设计方案有一个优点 , 钟摆尽可能近地靠近圆盘 , 距离缩小到了0.3毫米 , 以在极短的距离上检测引力的变化 , 在微小的距离尺度上 , 诸如圆盘上的电子开始感应钟摆上的电子 。 它们产生了相互的作用 。 已有少量的精细研磨材料 , 粘合成很低的热膨胀玻璃 , 涂上一层高导电的金属物质 , 用一个绝缘体隔开 , 加上少量的电子控制仪器 , 使用校准的检测材料 , 在一个真空室得到了相对简单、灵敏性高的实验装置 , 灵敏度的程度令人惊讶 。 在10的负17次方的数量级上 , 钟摆扭矩的实际力达到了10的负19次方的数量级 , 相当于10000个水分子滑落到表面时产生的力 , 一毫升水含有的水分子数量超过了10的22次方 。
极其灵敏度的实验证实了 , 平方反比定理在距离下降到大约50微米长度时依然完整、有效 。 今后的实验将会提升现有实验的灵敏度 , 钟摆和圆盘将会靠得更近 , 在更小的距离上检测引力的变化 。 实验数据的最大“漏洞”发生在分开的距离仅为10微米 , 甚至小于10微米时 。 进一步的实验将会缩短钟摆和圆盘的距离 , 在更小距离上进行的实验遇到了难以克服的问题 , 两边物体内电子和质子的磁力超越了引力 , 为了避免这种情况的发生 , 科研人员以 MEMs原理为基础设计了新的实验方案 , MEMs指的是微电子机械装置 。

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