在量子世界找尋“迷失的維度”

對隱藏空間維度的搜尋再次落空,鐘擺服從平方反比定律,沒有落入隱藏空間維度的“陷阱”。已有一個美妙而優雅的理論,每一種自然基本力被裝進一個靈巧而簡潔的“包裹”,整個理論框架或“包裹”集合為非常緊湊的單一體系,萬有理論解釋了萬事萬物的運動法則,其中包括了我們自身的運動。但至少在數學上很難理解,美妙而優雅的理論受到了損害,設想一下蒙娜·麗薩“蒙難”的頭像,清純而憂鬱的眼睛被戴上蠟筆塗繪的眼罩。

人們討論了現代物理學的問題,為蒙娜·麗薩戴上“眼罩”的是引力。現代物理學的傑作消除了蠟筆繪製的眼罩,物理學家設想了很多方法,以創造單一性的統一理論,但沒有證據支援他們的設想。在物理學層出不窮的理念中,有些涉及到了多維度理論,比如:弦理論。在接近10年的時間,物理學家孜孜不倦地搜尋暗藏的空間維度,卻一直徒勞無功,他們不會回心轉意。現在,一項最靈敏的實驗再次破碎了他們的希望,但十分成功的實驗值得稱讚和思索。

在量子世界找尋“迷失的維度”

量子力學和引力總是“磕磕碰碰”,物理學家面臨了兩難選擇,量子力學發生在固定的時空舞臺,引力好像舞臺上的演員。量子力學的這位“演員”動作不連續,常有驚險的跳躍和翻滾,而引力出現在平滑的時空和連續的結構體。迄今沒有找到引力和量子力學衝突的解決方案,時常發生戲劇化的衝突。解決兩者衝突的方法之一是引入4個以上的時空維度,人們不是對所有的科學領域都研究和理解得十分透徹,但所有時空的跳躍性和易變性可能被吸入到不能觀測的維度中,但人們觀測不到額外的空間維度,它們捲曲在非常微小的體積中。

人們感覺不到量子引力幽靈般的存在,但微小粒子可能感知到量子引力的作用,設想一下粒子有一點質量,對周圍的時空產生了“一絲一毫”的彎曲,微小的物體粒子發出了一點引力,相互吸引或雙向作用的引力使得人們感受到了奇妙之處,但量子引力以非常特別的方式脫離了經典作用的範圍,在三維空間的環境中,如果粒子之間的距離擴大到了2倍,粒子的相互引力還在,只是引力的大小減少了4倍,這被稱為平方反比定律或牛頓的萬有引力定律,經過了無數次的計算和驗證,然而,假如存在3個以上的空間維度,那麼引力大小將比由平方反比定律計算的值減少得更快。人們能夠測量三維度空間的引力,當兩個一定質量的物體儘可能地相互靠近時,測量在它們之間存在的引力,以此檢驗引力大小是否存在違反平方反比定律的情形。

用18世紀的鐘擺實驗檢驗隱藏的時空維度,使用鐘擺觀測它的搖擺幅度和週期,附近物體可能對鐘的搖擺產生影響。通常使用兩個完全相同的鐘擺,以觀測它們之間發生了怎樣的影響。遇到的問題是驅動的頻率,不得不為鐘擺補充能量,以保持鐘擺的擺動,驅動頻率與發出訊號的頻率保持一致。中國的科研人員為鐘擺實驗設計了新的方案,在一個圓盤的旁邊設定了一個扭轉鐘擺,圓盤上有8個質量塊,旋轉頻率和鐘擺的擺動頻率相同,當每一個質量塊透過鐘擺移動的頂端時都擾亂了鐘擺的運動,發出訊號的頻率是鐘擺振盪頻率的8倍,發出的訊號非常容易識別。

中國科研人員的設計方案有一個優點,鐘擺儘可能近地靠近圓盤,距離縮小到了0。3毫米,以在極短的距離上檢測引力的變化,在微小的距離尺度上,諸如圓盤上的電子開始感應鐘擺上的電子。它們產生了相互的作用。已有少量的精細研磨材料,粘合成很低的熱膨脹玻璃,塗上一層高導電的金屬物質,用一個絕緣體隔開,加上少量的電子控制儀器,使用校準的檢測材料,在一個真空室得到了相對簡單、靈敏性高的實驗裝置,靈敏度的程度令人驚訝。在10的負17次方的數量級上,鐘擺扭矩的實際力達到了10的負19次方的數量級,相當於10,000個水分子滑落到表面時產生的力,一毫升水含有的水分子數量超過了10的22次方。

在量子世界找尋“迷失的維度”

極其靈敏度的實驗證實了,平方反比定理在距離下降到大約50微米長度時依然完整、有效。今後的實驗將會提升現有實驗的靈敏度,鐘擺和圓盤將會靠得更近,在更小的距離上檢測引力的變化。實驗資料的最大“漏洞”發生在分開的距離僅為10微米,甚至小於10微米時。進一步的實驗將會縮短鐘擺和圓盤的距離,在更小距離上進行的實驗遇到了難以克服的問題,兩邊物體內電子和質子的磁力超越了引力,為了避免這種情況的發生,科研人員以 MEMs原理為基礎設計了新的實驗方案,MEMs指的是微電子機械裝置。

人們不得不使用引力測量的方法來搜尋隱藏的空間維度,靜電荷同樣服從平方反比定律,距離越近,靜電荷之間的電磁力越大。人們已知物質的一種電磁行為,靜電力或庫倫作用力在距離下降到至少10的負10次方尺度時依然服從平方反比定律,引力在這一距離上也許進入了額外的時空維度,但光子或電磁力的攜帶者不會使用額外維度,引力在如此微小尺度上隱藏額外空間維度的可能性似乎很小。

在量子世界找尋“迷失的維度”

(編譯:2016-4-19)