2879
Фізики зробили крок до розуміння квантової гравітації, вимірявши гравітаційне притягання між найменшою парою мас, яку коли-небудь вдавалося зафіксувати. Команда під керівництвом Шан-Ціна Яна (Shan-Qing Yang) з Університету Сунь Ятсена в Китаї зареєструвала взаємодію між двома кремнієвими пластинами, кожна з яких важить лише 7,6 міліграма. Про це повідомляє ScienceAlert, посилаючись на статтю в Nature Communications.
Гравітація зазвичай асоціюється з великими об’єктами — планетами чи чорними дірами. Але будь-що, що має масу, створює гравітаційне поле. Фізики прагнуть зрозуміти, де саме закони класичної гравітації Ейнштейна мають поєднатися з імовірнісним світом квантової механіки. Один зі шляхів до цієї межі — вимірювати гравітацію для дедалі менших мас, удосконалюючи чутливість експериментів.
Чому це важливо для квантової гравітації
Загальна теорія відносності описує гравітацію як викривлення безперервного простору-часу. Квантова механіка, навпаки, описує речовину та енергію мовою ймовірностей та квантових станів. Обидві теорії чудово працюють у своїх діапазонах, але погано поєднуються математично. Через це досі немає повної теорії, яка б описувала гравітацію там, де квантові ефекти стають суттєвими.
Щоб наблизитися до цієї області, вчені повертаються до класичного експерименту XVIII століття, відомого як дослід Кавендіша. Він дозволяє ізолювати гравітаційне притягання між невеликими тілами від значно сильнішого впливу Землі.
Мініатюрна версія досліду Кавендіша
В оригінальному експерименті Генрі Кавендіш підвішував горизонтальний стрижень на тонкому дроті. На його кінцях були свинцеві вантажі, а поруч розміщували більші свинцеві маси. Слабке гравітаційне притягання змушувало стрижень трохи повертатися, скручуючи дріт. За кутом повороту Кавендіш обчислив гравітаційне притягання.
У 2021 році інша група фізиків повідомила про найлегшу на той час реалізацію цього підходу: вони виміряли притягання між двома золотими кульками масою близько 92 міліграми кожна та закликали колег іти ще далі. Команда Яна підхопила цей виклик.
Дослідники створили мініатюрний крутильний маятник, застосувавши технологію глибокого травлення кремнію (deep silicon etching). На одному кінці мікроскопічного стрижня розмістили кремнієву пластинку масою 7,6 міліграма, на іншому — противагу.
Замість однієї маси, розташованої поруч, команда побудувала обертове колесо з 16 однакових кремнієвих пластин по колу. Коли колесо оберталося, кожна з пластин по черзі проходила поблизу тестової маси, створюючи повторюваний слабкий «ривок» гравітаційної сили. Один оберт займав 10 хвилин, тож протягом кожного оберту сигнал повторювався 16 разів, що полегшувало його відокремлення від шуму.
Надзвичайно слабка сила та роль шумозахисту
Уся установка працювала у вакуумній камері. Обертові маси були відділені від крутильного маятника тонкою кремнієвою мембраною з золотим покриттям. Це зменшувало вплив електростатичних сил, які могли б спотворити результат.
Замість того щоб дозволити маятнику вільно крутитися, дослідники застосували електронну систему зворотного зв’язку, яка утримувала його майже нерухомим. Вони вимірювали силу, необхідну для компенсації гравітаційного притягання. Саме з неї обчислювали діючу гравітаційну силу.
Аналіз крутного моменту показав притягання, узгоджене з передбаченнями Ньютона. Максимальна сила становила близько 471 атоньютона при найменшій відстані між масами. Для порівняння, це приблизно у 20 мільярдів разів слабше за гравітаційну силу, що утримує на Землі одну крупинку піску масою 1 міліграм.
Навіть на таких крихітних масштабах універсальний закон всесвітнього тяжіння Ньютона виявився чинним. На основі вимірювань команда змогла обчислити гравітаційну сталу G. Отримане значення узгоджується з рекомендованим міжнародним, а відносна невизначеність становить 5,3 відсотка.
Крок до гравітації квантових об’єктів
Автори наголошують, що їхній результат ще далекий від прямого дослідження квантової гравітації. Проте це помітно ближче, ніж попередні експерименти з мікромасами. Щоб просунутися ще далі, фізики розробляють різні підходи до вимірювання гравітації на ще менших масштабах.
Окрім мініатюрних крутильних маятників, досліджуються системи, де крихітні об’єкти утримуються світлом або магнітними полями. Кожен метод стикається з власними труднощами, зокрема необхідністю придушити всі сторонні впливи й зберегти крихкі квантові стани досліджуваних частинок чи мікрооб’єктів.
Кінцева мета — виміряти гравітацію між об’єктами, поведінка яких уже описується квантовою механікою, і перевірити, чи має сама гравітація квантову природу. Зараз різні експериментальні підходи охоплюють дедалі ближчі один до одного діапазони мас, тож, за словами Яна та його колег, спостереження гравітаційної взаємодії між квантовими об’єктами може стати можливим у «не надто віддаленому майбутньому».
Фізики виміряли найслабшу гравітаційну силу між двома масами з’явилася спочатку на Цікавості.
