Nowy sposób mierzenia grawitacji. Rekordowe pomiary

Jak działa grawitacja w skali na tyle małej, że graniczy ze sferą kwantową? Być może uda się to ustalić po opracowaniu sposobu pomiaru grawitacji na poziomie mikroskopowym. Fizykom z Uniwersytetu w Southampton, we współpracy z naukowcami w kilku innych europejskich instytucji, w tym z badaczami z Uniwersytetu w Lejdzie w Holandii oraz z Instytutu Fotoniki i Nanotechnologii we Włoszech, udało się wykryć słabe przyciąganie grawitacyjne oddziałujące na bardzo maleńką cząstkę. Dokonali tego dzięki opracowaniu specjalnej techniki pozwalającej na podglądanie procesów zachodzących w niewyobrażalnie małych skalach.

Opis oraz rezultaty badań ukazały się na łamach pisma "Science Advances" (DOI: 10.1126/sciadv.adk2949).

Nie do końca wiadomo, jak siła odkryta przez Izaaka Newtona działa w maleńkim świecie kwantowym. Europejscy fizycy przy użyciu nowej techniki wykryli słabe przyciąganie grawitacyjne oddziałujące na maleńką cząstkę. Twierdzą, że może to utorować drogę do połączenia teorii opisującej zjawiska związane z grawitacją z opisem świata kwantów, czyli kwantowej teorii grawitacji. Na razie bowiem nie jest jasne, jak znaleźć wspólny fizyczny "język", który opisywałby dobrze zarówno zjawiska występujące w bardzo dużej, jak i w bardzo małej skali.

Tim Fuchs z Uniwersytetu w Southampton przyznał, że uzyskane przez jego zespół wyniki mogą pomóc w odnalezieniu brakującego elementu układanki w naszym obrazie rzeczywistości. - Przez stulecie naukowcy bezskutecznie próbowali zrozumieć, w jaki sposób grawitacja i mechanika kwantowa współdziałają. Teraz z sukcesem zmierzyliśmy sygnały grawitacyjne przy najmniejszej kiedykolwiek zarejestrowanej masie, co oznacza, że jesteśmy o krok bliżej do ostatecznego zrozumienia, jak to działa w tandemie – powiedział Fuchs.

Uczony dodał, że w kolejnych eksperymentach będą zmniejszać masę cząstki będącej celem pomiarów. - Rozumiejąc grawitację kwantową, moglibyśmy rozwiązać niektóre tajemnice naszego Wszechświata – na przykład to, jak to wszystko się zaczęło czy co dzieje się wewnątrz czarnych dziur. Być może uda się upakować to wszystko w jedną wielką teorię – podkreślił Fuchs.

Nauka wciąż nie w pełni zrozumiała zasady rządzące sferą kwantową. Uważa się, że cząstki i siły w tej najmniejszej skali oddziałują inaczej niż obiekty o większych rozmiarach.

Efekty grawitacyjne oddziałujące w najmniejszej skali zaobserwowano podczas eksperymentu, który wykorzystywał lewitujące magnesy. Na potrzeby doświadczeń uczeni skonstruowali wyrafinowaną pułapkę nadprzewodzącą, schłodzoną do 100 milikelwinów i wykonaną z tantalu. Pułapka została umieszczona w zaawansowanym systemie amortyzującym, którego zadaniem było tłumienie wszelakich wibracji, które mogłyby wpłynąć na uzyskane wyniki. Cały ten sprzęt otoczono niezwykle czułymi czujnikami i zamknięto w kriostacie. Ta wyrafinowana konfiguracja obejmowała także koło, na którym zawieszono mosiężne ciężarki.

Gdy koło z ciężarkami obracało się przybliżając je i oddalając od lewitującej cząstki testowej złożonej z małych magnesów o masie 0,43 miligrama zmierzono słabe przyciąganie rzędu 30 attoniutonów (jeden attoniuton to trylionowa część niutona). Nigdy wcześniej nie zmierzono wzajemnego przyciągania grawitacyjnego dla obiektów o tak małej masie.

Siła grawitacji między dwoma obiektami zależy od ich mas i odległości między nimi. Im są większe i bliżej siebie, tym silniejsze przyciąganie. - Kiedy zaczniesz kręcić kołem, cząstka zacznie się poruszać, trochę jak na huśtawce. Siła grawitacji przyciąga ją, a potem puszcza, a potem znów przyciąga – wyjaśnił Fuchs. - Zdecydowanie nie jest to jeszcze grawitacja kwantowa, ale jest dużym krokiem w tym kierunku – dodał.

- Przesuwamy granice nauki, które mogą prowadzić do nowych odkryć na temat grawitacji i świata kwantowego. Nasza nowa technika, która wykorzystuje ekstremalnie niskie temperatury i urządzenia do izolowania wibracji cząstki, prawdopodobnie okaże się przyszłością w pomiarach grawitacji kwantowej. To pomoże nam odkryć więcej tajemnic dotyczących samej struktury Wszechświata, od najmniejszych cząstek po największe kosmiczne struktury – powiedział Hendrik Ulbricht z Uniwersytetu w Southampton.

Źródło: University of Southampton, The Guardian, fot. University of Southampton