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中國科大科學(xué)家完成首個確定性暗能量理論實驗檢驗

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大皖新聞訊 日前,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士團隊與南京大學(xué)黃璞教授、何建華副教授等組成的聯(lián)合研究組,利用抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)在實驗室環(huán)境中對一種重要的暗能量理論——變色龍理論進行實驗檢驗,未發(fā)現(xiàn)該理論預(yù)言的“第五種力”,從而排除了其作為暗能量的可能。這是所有暗能量理論中首個確定性的實驗檢驗。8月25日,相關(guān)研究成果線上發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然物理學(xué)》。

抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)實驗系統(tǒng) 中國科大供圖

在《科學(xué)》雜志發(fā)布的125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題中,“宇宙由什么構(gòu)成”排在第一個。宇宙學(xué)和天文學(xué)的一些觀測事實表明,宇宙正處于加速膨脹中,而暗能量被認為是驅(qū)動其膨脹的原因。但是,暗能量的本質(zhì)是什么,它以何種方式與我們的世界發(fā)生作用,目前仍然未知。

變色龍理論是用來解釋宇宙加速膨脹的一種理論模型,該理論的最大特征之一是預(yù)言了已知四種基本相互作用外的“第五種力”,在形式上可以寫為萬有引力作用的微小偏離,這為實驗研究提供了可能。

此次工作中,研究人員利用抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)作為力探測器,精巧構(gòu)建了亞毫米尺度的具有超高靈敏度的“桌面式”力探測平臺,對變色龍理論所預(yù)言的“第五種力”進行了檢測。

研究人員對變色龍場做了精細的數(shù)值模擬和基于此的第一性原理幾何設(shè)計,對質(zhì)量源與力探測器采用了薄膜結(jié)構(gòu),有效解決了變色龍場在質(zhì)量源端和力探測器端的雙重屏蔽困難;并且,實驗中產(chǎn)生了超長相干時間的“第五種力”驅(qū)動以提高力探測精度。

以上技術(shù)極大提升了對“第五種力”的探測效率,實現(xiàn)了迄今為止對變色龍理論的國際最高檢測精度,將理論預(yù)言的變色龍作用力上限限制到6 x 10-17(此處為10的負17次方)牛頓。結(jié)合先前其他實驗,該研究最終完成了基礎(chǔ)變色龍理論的全參數(shù)空間檢驗,未發(fā)現(xiàn)該理論預(yù)言的“第五種力”,從而確定性地排除了這一暗能量理論。

這一工作充分展示精密力探測與宇宙學(xué)研究的交叉融合,有望激發(fā)科研人員對宇宙天文學(xué)、粒子物理學(xué)和原子分子物理學(xué)等多個基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣。審稿人高度評價該工作:“在我看來這是一個非常重要的成果,代表了該領(lǐng)域的一個重大進展。“

大皖新聞記者  陳牧

編輯  許大鵬

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