引力实验与理论组

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小组简介

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。另一方面,天文学的观测告诉我们:与标准模型相关的物质和能量大约只占宇宙总(物质)能量的4%,剩余的暗物质与暗能量是否会给出违反标准模型理论框架的实验或观测数据,是我们必须密切关注的研究领域。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四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。目前,人们在量子力学方面已积累了相当多的实验证据,并且基于量子力学所发展出来的一些新技术也都日趋成熟。但是,在引力基本性质的实验研究方面,进展并不理想。其根本的原因主要有以下几点:(1)引力是目前已知四种基本相互作用力中最弱的一种;(2)引力无法屏蔽;(3)外界噪声耦合与仪器系统误差常成为精密测量引力基本性质的“瓶颈”问题。这些根本的原因,往往造成实验结果的不确定性太大。物理学中的四种基本相互作用(引力、电磁、强、弱)的最终统一描述是物理学的重大、前沿科学问题之一。迄今为止,物理学家们一直努力寻找一个合适的理论来涵盖四种基本相互作用,而对引力基本性质的更加深入的研究将是关键的科学问题之一。一方面对现有引力理论的基本假设和定律进行更加精密的检验,所获得的实验结果对于引力理论自身以及包罗四种基本相互作用的“统一理论”的进一步发展具有重要意义;另一方面对未来可能进行的、适合我国国情的引力实验进行更加深入的理论研究,包括宇宙学、暗物质与暗能量、额外维等方面,是保持我国在该基础前沿领域国际地位的战略部署。

进行关于万有引力常数的测量、近距离牛顿反平方定律的实验检验以及等效原理的实验检验,将是引力理论与统一场论进一步发展的重要实验依据。例如很多理论预言:由不同成份组成的物质,可能存在新的微弱的相互作用,从而引起近距离牛顿反平方定律的偏离和等效原理的破缺;目前热门的额外维理论预言在近距离(毫米以下)力程范围,宏观物体间的引力将偏离牛顿反平方定律。本课题组依托山洞实验室环境(恒温、恒湿、隔振等),利用超精密扭秤实验技术和AFM实验技术作为弱力测量研究平台,分别设计适当的实验方案,进行万有引力常数的精确测量、近距离牛顿反平方定律实验检验以及等效原理的检验等,为大统一理论寻找实验依据。

围绕着上述科学问题,本课题组开展的科学研究包括但不限于:

1. 万有引力常数G的精确测量

2. 近距离牛顿反平方定律的实验检验

3. 等效原理的实验检验

4. 微米间距非标准模型相互作用检验

5. 引力波和相对论天体物理