科学家们找到了测量真空中摩擦力的方法

涨知识 老郝 来源:sciencealert 208浏览 0评论

科学家们创造了有史以来旋转速度最快的物体,这使他们离能够测量在真空中起作用的神秘量子力又近了一大步。这个破纪录的物体是一小块硅石,每秒钟可以旋转几十亿次,这创造了足够的灵敏度,研究小组认为可以利用它来探测真空中摩擦产生的极小阻力。随着我们努力了解宇宙在其基础上是如何运作的,关于真空的科学正在迅速成为物理学中的一个大问题。

研究人员现在已经接受了这样一个事实:太空并不是空的,里面实际上充满了量子涨落,科研人员一直在努力寻找足够灵敏的工具来测量这些微小的力。

几年前,美国普渡大学的研究人员向前迈出了一步,他们发明了一种测量作用在一小块长方形金刚石上的扭矩力的方法。通过使用激光将材料悬浮在真空中,物理学家们拥有了一个非常精密的设备。物理学家李在2016年解释道:“扭力天平在现代物理学的发展中发挥了历史性的作用。而现在,真空中的激光悬浮椭球形纳米金刚石提供了一种新的纳米尺度的扭力天平,其灵敏度将提高许多倍。”

三年后,李和他的团队用直径只有150纳米的硅微球代替了金刚石,这些硅微球被用500毫瓦的激光器保存在一个真空室中。利用第二束激光产生的偏振脉冲,这些微小的二氧化硅可以自旋,这些哑铃形的粒子达到了惊人的每分钟3000亿转,打破了之前仅有五分之一速度的极限。

撇开这些旋转不谈,研究人员希望改进的是对旋转力的敏感性。虽然这个实验依赖于现代技术,但它的根源在于一个古老的实验。18世纪末,英国科学家亨利·卡文迪什试图用两对铅砝码测量牛顿的引力定律,从而为牛顿的引力定律提供了确凿的数据。这个新的纳米版本的卡文迪什实验非常灵敏,理论上可以用来测量微弱的电磁场牵引。这种微弱的电磁场会在真空中产生一种摩擦力,这种摩擦力则是由量子物理固有的不确定性形成的。

研究人员在报告中写道:“一个快速旋转的中性纳米粒子可以将量子和热真空波动转化为辐射发射。”。正因为如此,电磁真空就像一种复杂的流体,会在纳米粒子上施加一个摩擦力矩。

2016年的一项实验开发了一种测量扭矩的方法,其灵敏度可达3x10^-24N·m,这一过程需要的温度仅比绝对零度高出零点几度。随后,李和他的团队也闪电般地打破了之前的记录,通过比较二氧化硅在激光循环之间旋转的方式,得出了扭矩测量值只有1.2x10^-27N·m。 在室温下也是如此。

未来,我们可以通过改变旋转材料、温度以及附近物体等环境因素的实验,最终测量在最低能量下未受干扰的量子场是如何作用的。

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