互动科普

LHC是世界上最大、能量最高的粒子加速器。可是，却有一位学者用小型实验装置向LHC发起了挑战，这就是日本立教大学的村田次郎博士，他正在努力通过测定极近距离的引力强度来寻找额外维度存在的证据。目前，村田博士已经完成了约0.1毫米距离的引力测定，正在将距离缩短到1/10～1/100毫米，寻找额外维度的踪迹。记者采访了村田博士，就寻找额外维度的意义以及正在研发的新实验装置等进行了交流。

图1. 村田次郎

1970年出生于日本神奈川县，理学博士，研究领域为引力实验、原子核/基本粒子物理学实验。现为日本立教大学理学部教授。除了致力于寻找额外维度的近距离引力实验之外，还在加拿大国家粒子与核物理实验室（TRIUMF）从事时间反转对称性破缺研究。

应该对断定我们的世界是3维的进行反省

Newton：物理学家预言存在额外维度，真的存在额外维度吗？

村田：虽然还没有证实额外维度的真实存在，不过，我的回答是“没有理由说不存在额外维度”。

长期以来，我们一直都认为宇宙是3维的，大家会认为额外维度之类的想法简直太荒谬了，这是很自然的，也是可以理解的。可是，我们回过头来想想“为什么我们相信世界一定是3维的呢”，这个问题很难回答。

我认为，如果“空间是3维的”的理由不存在的话，那么，预言“空间是高维的”在科学上是很正常的。

Newton：科学家们什么时候才意识到“空间是3维的理由不存在”？

村田：我想大概是在哈米德等人发表了大额外维度模型的论文后。描述世界是3维空间的万有引力定律在近距离内并没有得到证实，也就是说，世界是3维的证据并非确凿无疑，这是所有人都没有意识到的一个盲点。我们应该反省，为什么断定世界是3维的呢？

Newton：20世纪20年代就出现了额外维度的观点，物理学家们那时相信吗？

村田：坦率地说，额外维度很难让人相信。不过，超弦理论是第一个能说服大家去接受这个观点的理论，它明确指出了空间的维度数，稍稍增大了额外维度的可信度。

10年前，当我们在学会上提到额外维度时，很多人都不屑地说“无稽之谈，不知所云”。后来，大家对额外维度的态度发生了很大变化，开始认真进行讨论了。

发起挑战：观测人类未知领域的引力

Newton：听说您正在测定近距离的引力？

村田：我大概从10年前开始进行卡文迪许扭秤实验。利用扭秤来测量两个砝码靠近时的引力大小。实验目标是测量两个物体相距1毫米远时的引力大小。

Newton：结果如何呢？

村田：实验结果表明，距离1毫米远时，引力与距离的平方成反比，遵循引力变弱的“平方反比定律”。换句话说，就是没有找到额外维度。

我并不是第一个进行1毫米距离引力实验的，美国和中国的研究团队已经率先进行了实验。我的实验结论与他们的相同，从验证实验这个角度来说，取得了成功。而且，在得到结论的过程中，我们学习和积累了大量观测技巧，现在正向小于1毫米的距离发起挑战。

老实说，准确地观测近距离的引力大小是一件非常困难的事情，至今还没有人能够观测小于10微米（0.01毫米）的距离。

我今后的目标是，首先在能够准确观测10～100微米距离引力的条件下，进一步缩小观测距离。如果这个距离的引力能够“突破”平方反比定律而变大的话，将成为支持额外维度存在的一个强有力的证据。

Newton：引力观测装置与以前的一样吗？

村田：因为卡文迪许扭秤无法测定10～100微米距离的引力，所以，我们正在制作新的装置。由于新装置太小，无法做成以前的样子。

正在研发的新装置是让一根金属丝靠近一头固定的垂直细金属丝，直到它们相距10～100微米，通过观察细金属丝的运动来测定引力大小。垂直的细金属丝是用来测量引力的，另外一根靠近用的金属丝是引力源。

图2. 卡文迪许扭秤实验装置

本图显示了利用扭秤来测量引力大小的装置的基本原理。当悬挂在金属丝上的砝码被引力源吸引时，金属丝就会偏转。通过测量金属丝的偏转角度，可以测定引力大小。英国科学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish，1731～1810）利用这种装置，首次成功地测出了引力（万有引力）。实际装置则要对砝码、引力源的形状以及分布等进行各种调整，以提高微小引力的测量精度。

Newton：为什么使用金属丝呢？

村田：测量引力的细金属丝比较柔软且容易转动，便于测出引力的影响。用做引力源的金属丝呈环形，逐渐靠近细钢丝。这是因为靠近测量引力用的细金属丝，产生引力的部分受限的缘故。如果大范围靠近细金属丝的话，就很难掌握到底哪个部位产生了引力。这两个金属丝并非一定要采用这种形状，目前正处于不断调整和完善的阶段。

Newton：金属丝的偏转应该非常微小吧，如何测量呢？

村田：我们用显微镜进行录像从而测定细金属丝的偏转。从计算上来说，引力导致细金属丝偏转的距离只不过1纳米（0.001微米）左右。要想正确地测定如此微小的偏转，精度就必须非常高，要达到能够测定0.1纳米偏转的精度。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）