互动科普

通过图像分析来去除无法避免的噪声

Newton：如此微小的偏转很容易受到各种干扰，让人弄不清楚到底是不是引力导致的吧。

村田：包括摄像机在内的整套装置都要放在真空容器中。如果有空气的话，就会产生对流，导致金属丝晃动。正式测定时，还要把装置放在振动尽可能少的房间，远程操作实验。

不过，就算是真空中也会产生振动。众所周知，所有的原子都是处于振动状态（热运动），振动越剧烈，温度越高。绝对零度时，原子的热运动才会停止。热噪声则是由热振动引起的。

只要整个装置达不到绝对零度，就不可避免会出现热噪声。

Newton：这么说的话，好像根本不可能精密地测定引力呀。

村田：我们将尽量冷却装置和了解热噪声的性质，通过图像分析来去除热噪声的影响。用以前的卡文迪许扭秤装置做实验时，我们也把砝码的偏转进行了录像，通过图像分析而排除了引力以外的影响所导致的噪声，并积累了大量图像分析的经验。

观察金属丝的偏转时，如果只对引力源的金属丝最靠近的地方进行放大，就无法知道偏转到底是引力导致的，还是热噪声所导致的，而被各种振动所埋没。为了避免出现这种情况，我们对整个金属丝进行了录像。

热噪声所导致的振动看上去好像很复杂，其实质是基本波的叠加。通过观察整个金属丝的振动，能够找出哪个振动是热噪声导致的，并将其去除。

计算结果表明，对整个金属丝进行录像虽然比只对某一点放大录像的精度低，但是，最后通过排除热噪声能够提高精度。

图：通过极细金属丝的晃动来测定微米距离的引力

图像描绘了村田教授正在研发的近距离引力测定装置测定引力的机制。垂直金属丝是用来测定引力的，右侧的多个环形金属丝是引力源。测定引力用的柔软纤细的金属丝是用钨等材料作成的，在引力源极其微小的引力作用下，可略微晃动1纳米左右。左右移动安装有多个引力源金属丝的平台，让引力源靠近或远离测定引力用的金属丝，并多次重复这一过程。通过测定垂直金属丝的晃动，可以测出引力的大小。由于用来测定引力的金属丝与引力源金属丝之间的距离非常近，只有几十微米，所以必须非常精密地移动引力源。目前，正在就引力源的移动方式进行研究，例如是左右移动呢还是旋转呢等等。

要想战胜LHC，缩小装置还是提高精度？

Newton：听说欧洲的大型加速器LHC也在进行实验寻找额外维度呢。

村田：最近，我写了一篇有关额外维度探索的文章，对各研究团队的实验和方法进行了分析和比较。LHC的确厉害。虽然我们还不清楚存在几个额外维度，但是，在绝大多数情况下，没有一个团队能胜过LHC。

只有当存在两个额外维度，即空间是5维时，我们所进行的实验才有可能战胜LHC，这是唯一的机会。因此，我个人希望世界是5维的，再加上1维的时间是6维时空（笑）。

虽然LHC能够利用高能粒子来寻找额外维度存在的证据，但是，它的噪声很多。要想战胜LHC，只有两个办法：一是缩小装置，从而缩短测量距离；二是提高测定精度。我的计划是继续缩短距离，同时把精度提高几个百分点。由于材料普遍带有磁性，会受到磁力的影响，我们无法再进一步提高精度。

Newton：如果不考虑与LHC比赛的输赢，您预测世界是几维的？

村田：我们是基于ADD理论进行实验的，ADD理论虽然预言存在大的额外维度，但是并没有预言某个特定的维度数，我本身也并不相信某个特定的维度数。不过，至今为止的实验结果表明，世界是5维时空（4维空间加上1维的时间）的可能性不大。

我并不认为现有的这些理论能够完全正确地描述自然，因为这不是一个能够很简单地弄清楚的问题。不过，这些理论帮助我们弄清楚了还有哪些领域没有经过实验验证，所以，我想认真地对这些领域进行调查。

即便我们进行的实验没有发现额外维度，但是我们至少可以说“在这些范围内不存在额外维度”，我想这也是对人类知识的贡献，是我们必须做的。

如果在地面上没能发现额外维度的话，今后将在宇宙中做实验 ！

Newton：你估计什么时候实验能有结果呢？

村田：由于新的实验装置还处于研发阶段，估计大概还需要10年左右才能得到一些结论吧。LHC已经开始获得了一些数据，虽然分析这些数据还需要花费一些时间，不过估计几年之内能公布结果吧。

Newton：LHC会抢先发表什么结果呢，是发现了额外维度，还是没有发现？真是令人关注呀。如果发现了额外维度的话，会对物理学带来怎样的影响？

村田：我想应该是令人震惊的巨大影响吧。现在，世界上依然有许多未解之谜，人类对世界有各种各样的解释。如果发现了额外维度的话，就可以否定其中的绝大多数，我们应该考虑的事情就会一下子减少很多。

Newton：如果发现了额外维度的话，我们应该怎样接受这个发现呢？

村田：要是我知道存在额外维度的话，肯定会非常震惊的。例如，虽然我们通过理论或测量等方式早已间接地知道地球是圆的，但是，当我们看到从宇宙中拍摄的地球照片后，才能够真正感受到地球是圆的。与此相同，如果找到了额外维度存在的证据的话，人类或许就能够实际感受额外维度到底是怎样的。

Newton：反过来说，如果无论怎样努力都找不到额外维度的话，会有什么影响呢？

村田：这也是一个很有意义的大发现。如今，虽然基于额外维度创建了各种理论，如果额外维度根本不存在的话，大家都应该深刻反省，为什么要如此依赖并不存在的额外维度。不过，由于能够用实验验证的范围是有限的，所以，从原理上来说，很难断言不存在极其微小的额外维度。

如果LHC和我们所进行的实验都不能发现额外维度的话，或许在地面上很难再取得令人振奋的进步。地面上的地球引力是一个障碍。在引力小的地方，例如把装置放在月球表面上进行实验的话，或许能有新的发现。

虽然实现这个目标可能会花费几十年的时间，但是，要想大幅度提高精度，就必须有这样的决心。我认为额外维度是一个值得这样做的非常重要的课题。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）