精密桌面小实验,探索宇宙大奥秘 | 众妙之门

　　

巨型超级对撞机不再是探寻新物理现象的唯一手段。一种新型的可安装在桌面上的实验装置正用于探查暗物质和暗能量的本质，以及搜寻额外时空维度存在的证据。

　　 作者 Joshua Sokol

　　 翻译 骆珂

　　 校对 杨阳、雨遇

要回答宇宙中那些重大的未解之谜，人们可能不再需要借助于超级对撞机。几十年来，理论物理学家们有一个梦想，就是探索物理学中的“西部荒蛮地带”。那个地带可能出现的奇异物理现象发在不超过一美元纸币厚度的尺度上。在这个还没有被探索的尺度上，你可能会有新的发现，假如你能搭建一个足够“聪明”的实验装置，并且小到能够安置在一张普通的实验台桌上的话。在几十微米的距离上――比一美元还要薄――像引力这类已知力的行为可能会变得怪异，或者说越发让人着魔。同时，某种未知力的可能出现又会让你猝不及防。目前，一种新生代小型桌面实验装置已经用开始运行，来探究这些可能的奇异物理现象。

其中一个实验装置采用悬浮的二氧化硅小球――“我们基本上用光来托起一个玻璃小球，”这个实验小组的带头人安德鲁·格拉齐说――“来寻找‘隐形’作用力。”这种作用力之所以被称为“隐形”，是因为它比我们所能想象到的任何作用力都要弱得多。今年3月初，他的小组在科学预印本网站arxir.org上传的论文中宣称，他们的测量精度已经到几个仄牛的量级，1仄牛=10-21牛顿。1牛大约是我们按下一个电脑键盘上的字符键所需力的大小。

“质量上佳的人体磅秤的精度大约在0.1牛，”在美国里诺市（Reno）内华达州立大学任教的物理学家格拉齐说，“如果一个病毒落到你身上，将会产生10-19牛的重力，也就是说我们的测量精度比这个还要低大约两个量级。”

这些实验研究的目标是希望能在解决一些当今最有趣的物理学问题上扮演重要的角色。其中一些问题主要探讨引力、暗物质和暗能量的本质是什么。“这些实验装置能够对这些事物进行多方位的探索。”普林斯顿高等研究院的物理学家尼玛·阿凯尼·汉姆德这样认为。比如，我们通过宇宙大尺度上的观察所推断出的数量庞大的暗物质，也许会在其与常规粒子发生相互作用时留下微弱的电荷；推动宇宙加速膨胀的暗能量，则也许会因为其“变色龙粒子”特性而被人们所认知。(编者注：在一个理论模型中，暗能量来源于“变色龙粒子”。)从理论上说，这种新型桌面实验装置可以探测这些奇异粒子。某些理论预言，在短程范围内，引力要比预期值弱得多，而另一些理论则认为要强得多。如果弦论中假设的额外维度真实存在的话，那么两个相隔1微米的物体之间的引力值将会是牛顿引力定律计算值的1010倍。

麻省理工学院的物理学家珍妮特·康莱德没有直接参与过任何这种小尺度实验研究，但仍然认为这是对大型强子对撞机这种庞大的加速器的一种必要补充。她说：“我们现在的实验装置就像恐龙一样，已经变得越来越大，越来越大。”但在这种给予某种基础物理学以更灵活的研究机会的实验平台上，少数几个科研人仅凭借小型装置就可以做出很有影响力的工作，“我确信这是一个全新的研究领域。”她补充道。

对于像阿凯尼·汉姆德这样的物理学家来说，研究那些超出人类想象极限的新物理是一件非常有趣的事情，因为这里有一些奇妙的数值上的关联。普朗克尺度是一个极微小的尺度，它比在大型强子对撞机中探索的粒子物理中最小的弱相互作用尺度还要小16个数量级。在普朗克尺度附近，量子引力作用将起主导作用，那将是一个全新的世界。

有些理论同时包括普朗克尺度和弱相互作用尺度，而通过这两个尺度的混合，能得出新的尺度。（比如物理学家们先将弱尺度的长度做平方，再除以普朗克长度。）由此可从物理学中的这两个基本尺度，得到一个在1微米和1毫米之间尺度。在这个尺度里，阿凯尼·汉姆德猜测可能会出现新的作用力和新粒子。

当物理学家们考虑那些充斥整个宇宙空间的暗能量的时侯，类似的尺度还会出现。我们估算在什么尺度上，粒子的相互作用正好和暗能量相当。结果得到的数值结果竟然在100微米左右。这再次表明在这个尺度附近，是人们寻找新物理迹象的沃土。

人们在上世纪九十年代末就开始了这方面的实验探索。阿凯尼·汉姆德和他的两位同事提出引力会“流失”到额外空间维度的观点，它可以解释为什么与物理学中其他已知力相比，引力要弱得多。当尺度小于高维空间的大小时，引力还没有来得及“泄漏”，它的吸引作用将比人们的期望值要大得多。科学家们计算出这将发生在大约小于1毫米的尺度内。

这些结果激发了艾德尔伯格和他的同事们寻找那些额外维度的热情，而且他们早已有了这样的搜寻设备。在上世纪八十年代，艾德尔伯格就和华盛顿大学的Eöt-Wash小组共同建立了一套“扭秤”装置。这套装置非常灵敏，即便是很小的力也可使其产生扭转反应。最开始，这个小组使用该装置来寻找百年前实验中提出的“第五种力”，但他们未能找到。“我们搭建了一套设备，但我们发现‘第五种力’并不存在。”艾德尔伯格说，“这是非常有趣的，而且比我们想象的要容易得多。”

现在他们准备着手论证阿凯尼·汉姆德的预言：在很小距离范围内，物体间的引力――在引力“泄漏”到额外维度之前――会比牛顿理论所预言的强得多。（编者注：在d维空间，引力和距离的关系是r-d+1。如果多余维度空间的尺度是一毫米，那么在一毫米以外，多余的维度不起作用，引力和距离的关系是d=3维的r-2。在一毫米以内，引力和距离的关系将是d>3维的r-d+1。也就是说当距离小于一毫米时，引力随着距离的减少所导致的增加，会快于牛顿定律的r-2。）

自从2001年以来，这个小组已经发表了一些由4个扭秤装置测量得到的结果。他们的测量精度在不断提升。但到目前为止，他们还未曾探测到任何微小维度。该小组首次报道的是粒子间距为218微米时引力行为正常。然后，他们将粒子间距缩小到197微米、56微米，直至2013年报道的42微米。今天，他们的测量数据来自于两套配有不同摆的扭秤装置，其中一个摆的扭动的速率由引力强度来决定，而另一个会一直保持静止直至引力行为异常。

但遗憾的是，他们没能将引力测量间距缩小至42微米以内。目前，他们正在抓紧修改2013年的分析过程，希望尽快发表最新的测量数据。不过，艾德尔伯格还在犹豫是否谈起他们正努力推进的最新测量极限。他说测量间距的极限不太可能低于20微米。“当你开始做一件事的时候，挑战相对比较低，”他说，“但是随着测量间距的缩短，测量也会越发艰难。”

从原子物理借鉴过来的实验技术表明，也许另一种实验手段可以帮助人们翻越这个障碍，将测量间距优化到纳米尺度。

在2010年，格雷西，一位在科罗拉多州博尔德市国家标准和技术研究所里工作的物理学家，提出了一个微尺度探测“隐形力”的方案。她们用悬浮的玻璃小球取代华盛顿大学实验小组装置中的摆，做为微力捕捉器，其中小球的悬浮是由于激光的“托举”。通过测量悬浮小球中临近小球的位置改变，可以得到分散在几个微米范围内的额外维度的引力值。

尽管这个实验装置可以探测距离更短的粒子间的引力，但是存在一个问题。这就是大质量物体间的引力更容易测量，但格雷西的设计方案（已搭建完毕）采用的是直径仅为0.3微米的小球。目前在乔治·格雷特实验室工作的斯坦福大学物理学家大卫·摩尔有他自已的实验方案，他选用了更大的玻璃小球作为研究对象，小球直径设定为5微米。与Eöt-Wash小组采用的是测量间距为几厘米的扭称装置相比，显然，这两个实验小组都以牺牲更大的引力信号来换取短程范围内的高精度。

格雷西和摩尔实验中小球的质量太轻，以致于他们还不能直接测量引力对邻近物体间的吸引作用。他们唯一能观察到的是物体间的引力是否确实会比牛顿定律计算值大。如果引力或者其它力被实验中可能观察到的一些怪异作用遮掩，那么将给测量带来更大的困难。华盛顿大学的博士后查理·哈格多恩说：“关于引力，我们通常喜欢指出的一件事情是，拥有高灵敏度的力学探测仪是引力测量游戏中最基本的筹码。”艾德尔伯格补充说：“如果你想知道引力在做什么，你就必须要能探测到它。”

　　

图1 寻找引力的“泄漏”

由激光束（红色）托举的二氧化硅小球（蓝色）悬浮在大量的密度会发生变化的物质（绿色）附近，这种物质的密度大小来回震荡。当高密度物质（深绿色）靠近小球时，它会给小球一个额外的引力（A）。如果引力在小距离内行为异常，引力就应该是大于（B）或者小于（C）的期望值。

但是对于格雷西和摩尔来说，悬浮小球不仅是他们用于探测引力的手段，更是他们探究许多微物理现象的通用平台。摩尔说：“眼前的情形是，一旦你能够测量这些微力，就意味着你可以做更多的事情。”2014年年末，摩尔进行了一项实验，试图寻找一种带电量远小于单电子电量的粒子。一些暗物质模型认为这些“微带电”粒子形成于宇宙诞生初期，而且一直潜藏在普通物质之中。

为了寻找这些粒子，摩尔做了一系列实验。首先他将一些带正电小球放置于一对电极之间，然后用脉冲紫外光辐照整套装置，以驱使电子逃离电极。这些逃逸的电子附着于那些带正电的小球，使其呈电中性。最后，他再施加一个电场。如果有任何“微带电”粒子仍附着在小球上，它们将会产生一个很小的作用力。摩尔没有观察到任何力的作用，这意味着“微带电”粒子的带电量必须要足够小，或者是这些粒子分布要足够稀疏，更或者是两者兼备。

　　

图2 探寻“微带电”粒子

二氧化硅小球（蓝色）置于两个电极之间（灰色）。实验开始时，小球带微量净正电荷，在电极上施加交变电流，小球就会上下振荡（A）。然后用紫外光辐照小球使其呈电中性，那么小球就会停止振荡（B）。然而，如果存在“微带电”粒子，被“微带电”粒子附着的小球将会在交变电场的作用下有一个微小的振荡（C）。

摩尔和他的同事亚历克斯·赖德在今年4月发表的工作中采用了微米小球来寻找可用于解释暗物质的所谓的“变色龙”粒子，最终也一无所获。这个实验结果与加利福尼亚大学伯克利分校的实验小组在Science期刊上发表的结果一致。

“这些微尺度实验――我不知道用英语该怎么描绘――‘白费力气’？”斯坦福大学的物理学家萨瓦斯·迪莫普洛斯说。他在与阿凯尼·汉姆德共同合作的论文中提议寻找毫米尺度的额外维度。“也许你确实不知道到哪里寻找，但是你可以在你能到达的任何地方寻找。”

迪莫普洛斯把这些桌面实验探索装置比喻为充满前景的作坊式小工业。它们为研究那些有挑战性的理论提供了一种廉价的可选择的实验手段。“这些观点已经提出了40多年，却一直被束之高阁，因为在基础物理的实验研究方面，人们更愿意把目光投向巨型粒子加速器。”

近3年来，迪莫普洛斯一直在呼吁人们关注这个领域。有几个主攻短程力研究方向的实验小组正在运行中，但是没有得到足够的重视，且科研经费缺乏。“这个研究领域甚至还没有一个合适的名字。”他说。

迪莫普洛斯提出的“超级实验室”设想也许会对这个领域的发展有所帮助――把很多这样的桌面实验装置放在一起，就像已经建立的高能项目中的大型强子对撞机那样。对康拉德而言，她当然希望这些努力可以获得更多的支持，但是她认为这些装置应该放在大学里面。

撇开分歧，双方一致认为在寻找低质量粒子的道路上还需要付出更多的努力，尤其是对那些质量所对应的尺度比人类头发丝直径略小的粒子。（编者注：结合普朗克常数h和光速c，质量m可对应于一个空间尺度h/mc。）“应该有一个容许低能低质量粒子研究生存的大环境，”迪莫普洛斯说，“毕竟高能物理学不是世上唯一的前沿领域。”

　　 原文链接

https://www.quantamagazine.org/20160503-tabletop-searches-for-extra-dimensions-and-dark-matter/

　　 延伸阅读 ① 脑洞大开的科技创新：桌面上的粒子加速器

② 物理学家发现了自然界的第五种基本相互作用？

③ 物理学“新乌云”源起何处？

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