利用扭秤检验牛顿反平方定律在近距离范围的正确性

许多理论模型预言牛顿引力反平方定律在近距离下将发生偏离.本文简要介绍了牛顿反平方定律的实验检验现状,给出了利用精密扭秤技术检验近距离反平方定律的实验原理和实验结果,分析了扭秤实验的热噪声和灵敏度.

近距离牛顿反平方定律实验检验进展

为了统一描述自然界的四种基本相互作用,科学家提出了很多理论模型,其中很多理论认为牛顿反平方定律在近距离下会发生偏离,或存在其他的非牛顿引力作用,而理论的正确与否需要高精度的实验检验.国际上很多研究组在不同间距下采用不同的技术对反平方定律进行了高精度的实验检验,本文重点介绍华中科技大学引力中心采用密度调制法分别在亚毫米与微米范围进行的实验研究进展.在亚毫米范围采用精密扭秤技术,在对牛顿引力进行双补偿、抑制电磁干扰后,结合零实验与非零实验结果,在作用程为70—300μm区间对Yukawa形式的破缺给出国际上精度最高的限制.在微米范围采用悬臂梁作为弱力传感器,通过测量金球和密度调制吸引质量间水平力的变化来检验非牛顿引力是否存在,实验结果不需进行Casimir力和静电力背景扣除,是此间距下不依赖于Casimir力和静电力理论计算模型的两个结果之一.

利用近距离牛顿反平方定律实验探索洛伦兹不变性破缺效应

回顾了利用近距离引力实验探索洛伦兹不变性破缺效应的现状,并展望了其发展趋势.引力与物质的耦合极其微弱,近距离下牛顿反平方定律的实验检验是探索引力现象对广义相对论偏离的常用方法之一,其实验检验的基本原理是通过测量密度较大的2块薄金属片之间的引力相互作用随间距的变化,判断其是否满足牛顿反平方定律.在探索洛伦兹不变性破缺方面,通过测量2块薄金属片之间的非牛顿力的恒星时变化,可以检验标准模型拓展(SME)中包含黎曼曲率2次耦合的洛伦兹对称性破缺参数.分析表明近距离引力实验中,由于洛伦兹不变性破缺,2块有限平板间的非牛顿引力由边缘效应主导,尽管如此,现有的近距离引力实验对洛伦兹不变性破缺系数的限制仍能达到10?8 m2的水平.

第五种力理论与实验研究现状

第五种力是物理学中提出不久、且尚待研究的一种新型中程力．有关第五种力和引力对牛顿反平方律的偏离的实验检验，已有人做了不少工作，但因其效应微弱，不易检测，所以目前尚不能最后定论．

“基于精密测量物理的引力及相关物理规律研究”立项报告

广义相对论(经典的引力理论)和粒子标准模型理论(量子规范理论)是目前最成功的基础物理理论,两个理论都通过了迄今为止所有的实验检验。但可惜的是两个理论目前并不兼容。因此,对于物理学家来说,发现一个能统合自然界所有基本相互作用的理论框架就显得非常重要。引力及其相关物理规律的研究对于深入理解引力的性质和规律、寻找新的基本力和最终统一描述4种基本相互作用具有重要指导意义。由于实验是检验物理理论正确与否最有效的判据,人们期待着利用更精密的实验技术和更巧妙的实验方法,在更广的相互作用范围和更高的实验精度上检验广义相对论与量子理论基本假设的正确性以及相关的预言。该研究的基本出发点是寻找新的相互作用,开展引力基本规律和QED理论检验。在引力基本规律研究中,进行万有引力定律和等效原理的实验检验。对万有引力定律的检验包括两个方面:分别是进行万有引力常数G的精确测量和近距离牛顿反平方定律的实验检验。在等效原理的实验检验中,分别通过精密扭秤、冷原子自由落体和旋转冷分子3种方式进行实验检验。另外,拟通过对Li+离子的精密光谱测量开展关于束缚态QED理论的实验检验,进行精细结构常数α的测量。研究紧密围绕目前物理学基础研究中的最前沿,任何一个课题的突破都将对物理学的发展产生极其深远的影响,并使我国在该领域的研究在国际学术界占有一席之地。

万有引力实验方案以及红外检测系统的研究

受额外维理论启发,采用扭秤作为检测手段,圆台为检验质量与吸引质量,在0.1 mm尺度下检验牛顿反平方定律的实验方案,同时研制了红外传感器对所加工的物体进行了检测。初步计算表明采用此方案可以把同类实验结果提高5倍。

Newtonian Gravity in Natural Units

Integer numbers of natural units （Planck units） to express Newton＇s inverse square law of gravitation in terms of quantum mechanical probabilities are used. The strong nuclear force between two coupled nucleons is derived, the minds of giants such as Newton and Einstein are met. There is a considerable continuing effort directed for the understanding of gravity and the constants of nature, last century＇s legacy of Arthur Stanley Eddington.

精密扭秤实验技术及其应用

作为一种古老而经典的弱力检测工具,扭秤凭借其超高的灵敏度在精密测量领域得到了持续而广泛的应用.本文描述了扭秤的基本工作原理,分析了限制扭秤实验精度的基本因素,在此基础上重点介绍了华中科技大学引力中心实验小组采用扭秤技术在精密测量物理领域的实际应用,如基于扭秤周期法的万有引力常数G的精确测量,基于扭秤双频调制的近距离牛顿反平方定律实验检验,以及基于旋转扭秤调制的光子静止质量实验检验等.