Физики измеряют силу гравитации между самыми маленькими массами

Физикиизмеряютсилугравитациимеждусамымималенькимимассами
примирения гравитации с квантовой механикой , теория, лежащая в основе негравитационной физики.

Точная гравитация

Трудно понять, насколько необычайно слабая гравитация для таких малых масс. Гравитационное притяжение одной сферы («исходная масса») на другую («тестовая масса») на расстоянии нескольких миллиметров больше, чем 10 в миллионы раз меньше, чем сила падающей снежинки. Основная задача, стоящая перед командой Аспельмейера, заключалась в разработке детектора, чрезвычайно чувствительного к этой гравитационной силе, но совершенно нечувствительного к гораздо большим фоновым силам, толкающим и тянущим испытательную массу со всех сторон.

Исследователи достигли этой чувствительности с помощью детектора, называемого торсионным маятником, который выглядит как миниатюрная версия мобильного телефона, висящего над детской кроваткой. Сфера с пробной массой прикреплена к одному концу тонкого стержня, который подвешен в середине на кварцевом волокне толщиной четыре микрона. Аналогичная сфера на другом конце стержня действует как противовес. Сила, действующая на испытательную массу, заставляет маятник кручения вращаться до тех пор, пока он не уравновесится восстанавливающей силой от скручивания волокна. Такое тонкое волокно чрезвычайно податливо, поэтому даже очень слабая сила приводит к относительно большому вращению. Крайне важно, что торсионный маятник очень нечувствителен к силам от удаленных объектов, которые вместе тянут испытательную массу и противовес и, таким образом, не вызывают вращения.

Precision gravity art concept.
Гравитацию можно понять как возникшую в результате искривления пространства-времени, что показано на впечатлении этого художника. Предоставлено: Arkitek Scientific

Но даже эта продуманная конструкция торсионного маятника не полностью изолировала испытательную массу от оживленной городской среды дневной Вены. «Сладкие места всегда с полуночи до 5 часов утра, когда на улице нет людей», – объясняет Аспельмейер. « это было не так в пятницу или субботу ».

Чтобы измерить гравитационную силу массы источника, исследователи не просто поместили его рядом с исследуемой массой. Вместо этого они непрерывно перемещали его вперед и назад со средним расстоянием в несколько миллиметров. Этот метод, называемый модуляцией, неявно используется в конструкции сигналов поворота и мигающих велосипедных огней: регулярные периодические сигналы гораздо более заметны на фоне постоянно присутствующего фонового шума, чем постоянные. Разумеется, ученые наблюдали колебательную силу именно с нужной частотой. Затем они повторили этот процесс много раз, изменяя среднее расстояние между массами и измеряя силы до 20 фемтоньютон на расстоянии от 2,5 до 5,5 мм. Команда сравнила эти измерения со знаменитым законом обратных квадратов Ньютона, который описывает, как сила тяготения между двумя объектами зависит от их разделения: данные с точностью до

согласовывались с законом Ньютона. процентов.

«[That] вы можете измерить эти действительно, действительно, очень крошечные силы – я думаю, это довольно удивительно », – говорит Стефан Шламмингер, физик из Национального института стандартов и технологий, который изучает гравитацию, но не принимал участия в работе

Но Аспельмейер и его коллеги пока не могли объявить о победе: им все же пришлось исключить возможность того, что модуляция массы источника порождает другие силы на испытательной массе, которые будут колебаться с точно такой же частотой. Периодическое раскачивание стола, поддерживающего экспериментальный прибор, вызванное отдачей от едва заметного движения массы источника, было лишь одним из множества затрудняющих факторов, которые исследователи должны были тщательно оценить количественно. В конце концов они обнаружили, что все известные негравитационные силы будут как минимум 20 раз меньше, чем гравитационное взаимодействие.

Достижение квантовых масштабов

Аспельмейер считает, что улучшенный торсионный маятник будет чувствителен к гравитации от массы 5, 10 еще раз меньше – светлее одной ресницы. Его конечная цель – экспериментально проверить квантовую природу гравитации – вопрос, который ставил физиков в тупик почти столетие. Квантовая механика – одна из самых успешных и точно проверенных теорий во всей науке: она описывает все, от поведения субатомных частиц до физики полупроводников, которая делает возможными современные вычисления. Но попытки разработать квантовую теорию гравитации неоднократно блокировались противоречивыми и бессмысленными предсказаниями.

Частицы, описываемые квантовой механикой, ведут себя удивительно нелогичным образом. Один из самых странных видов квантового поведения – это особая форма корреляции, называемая запутанностью : когда две частицы переплетаются, их судьбы становятся неразрывно связанными, и их невозможно описать по отдельности. Запутанность и другие квантовые эффекты наиболее заметны в очень маленьких и хорошо изолированных системах, таких как атомы и молекулы, и они становятся все более хрупкими в больших масштабах, где важна гравитация. До недавнего времени тесты квантовой гравитации казались далеко за пределами досягаемости лабораторных масштабов. эксперименты.

Но за последние несколько лет наблюдался заметный экспериментальный прогресс в направлении различения тонкие квантовые эффекты во все более крупных системах. В конце 2018 две группы физиков-теоретиков независимо друг от друга предложили амбициозный, но, возможно, осуществимый эксперимент. который мог бы сделать окончательное утверждение о квантовой природе гравитации. Попытка измерить, может ли гравитация запутать две квантовые частицы. Если это так, то «никуда не деться от того факта, что это должно быть в некотором смысле неклассическим», – говорит Кьяра Марлетто, физик-теоретик из Оксфордского университета, соавтором одного из предложений со своим оксфордским коллегой Влатко Ведралом. .

Наблюдение гравитационного запутывания было бы новаторским. Но для убедительной демонстрации того, что гравитация является квантово-механической, потребуется доказать, что две частицы взаимодействовали только посредством гравитации. Попытки Аспельмейера изолировать гравитационные силы между постепенно уменьшающимися массами – важный шаг к такому окончательному испытанию. «Поскольку квант движется от малого к большому, есть шанс, что гравитация и квант встретятся где-то посередине», – говорит Сугато Бозе, физик-теоретик из Университетского колледжа Лондона, который вместе с девятью соавторами написал другое предложение

«Вопрос о том, является ли гравитация принципиально квантовой, является экспериментальным вопросом», – говорит Аспельмейер. «Нам не терпится пройти все девять ярдов и посмотреть, как все закончится».