在微米尺度，检验牛顿定律

来源：中国物理学会期刊网

1.

牛顿的引力定律告诉我们，引力与距离的平方（r²）成反比，这是我们从初中的物理课堂上就学到的知识。但物理学家想要更确定地知道，在小尺度上，这一定律是否依然成立？

物理学家之所以有这种疑问，是因为试图将引力和其他三种基本力（电磁力、弱核力和强核力）统一在一起的弦理论，预言了宇宙中存在着额外的“卷曲”引力空间维度，以及一些无质量的标量粒子（比如胀子）。而这些特征预示着在非常短的距离尺度内，平方反比定律会失效。

因此，测量间隔微小的物体之间的引力与距离的关系，或许可以揭示新的物理学原理。但这在实际操作上很难做到，因为引力是一种非常微弱的力，很容易被其他的力学效应淹没。

2.

在一项最近发表于《物理评论快报》的论文中，一组物理学家采用了不同的实验方式来验证引力在微小尺度下的有效性。他们发现当物体的间距在52微米和3毫米之间时，牛顿引力定律仍然可以很好地与实验数据相吻合。

在实验测量中，研究人员取了一个布满孔的圆盘，让这个圆盘悬浮在一个旋转着的并且同样布满孔的圆盘之上。在上方的圆盘所承受的扭矩由这两个圆盘之间的距离决定。当两个圆盘之间的距离只有几百微米时，它们之间的扭矩是非常小的。

精确地制造出这样两个圆盘是这个实验的主要难点之一，正如前面所说，引力是非常微弱的，因此研究人员必须最大限度地减少静电和静磁效应，以及减少其他振动所产生的干扰，并且还要防止灰尘进入装置造成额外误差。

○ 新的实验设计中，研究人员制作了在外沿处有18个方孔、中间区域有120个条形孔洞的圆盘，可以形成18重和120重方位对称性。随着两个圆盘之间的距离减少，扭矩强度呈指数衰减。这个设置可以在两个长度尺度上对平方反比定律进行测量。| 图片参考来源：[1]

利用新装置测得的数据表明，对于物体间距是实验中所测量的那些情况来说，并不需要对牛顿引力进行修正。这一结果对修正引力相互作用的可能强度和作用范围给出了新的限制，从这些限制又反过来可以得到一些别的参数，比如弦理论中产生的额外维度的大小（半径上限为30微米）。

参考来源：[1] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.101101[2] https://www.nature.com/articles/s42254-020-0168-6

本文经授权转载自《原理》微信公众号

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