Физики нашли способ измерить гравитацию в квантовом масштабе

Воздействуя на крошечную частицу, парящую в магнитной ловушке, физики только что измерили самое маленькое гравитационное притяжение, когда-либо зарегистрированное.

Частица весила всего 0,43 миллиграмма. А сила гравитационной силы измерялась аттоньютонами (10^-18 ньютонов). Это достаточно мало, чтобы оказаться на грани квантовой реальности, что дает возможность наконец выяснить, как взаимодействуют классическая физика и квантовая механика.

«В течение столетия ученые пытались, но не смогли понять, как гравитация и квантовая механика работают вместе», — говорит физик Тим Фукс из Лейденского университета и Саутгемптонского университета, который руководил исследованием.

«Теперь мы успешно измерили гравитационные сигналы при самой маленькой из когда-либо зарегистрированных масс, это означает, что мы на один шаг ближе к окончательному пониманию того, как это работает в тандеме».

Проблему квантовой гравитации, пожалуй, лучше всего можно охарактеризовать как неразрешимую, по крайней мере, на данный момент. Это связано с нашими концепциями объяснения Вселенной.

Классическая физика, то есть гравитация, объясняет, как все работает в большинстве масштабов. Однако когда вы достигаете совсем крошечных размеров, вплоть до атомных и субатомных масштабов, гравитация просто не может объяснить то, что мы видим.

Для этого физики используют квантовую механику, и это здорово. Но так же, как классическая физика не может быть применена к квантовым масштабам, квантовая механика не работает для классических масштабов. И все же каким-то образом Вселенная работает. Это заставляет ученых полагать, что решение между двумя концепциями еще предстоит найти.

Один потенциальный способ исследовать проблему — исследовать гравитацию на очень, очень крошечных масштабах. Однако это сложнее, чем может показаться: гравитация присутствует повсюду во Вселенной, и выявить сигнал квантового масштаба в среде земной гравитации — непростая задача.

Чтобы обойти эту дилемму, Фукс и его команда использовала нечто, называемое сверхпроводящей магнитной ловушкой. Небольшая ловушка из тантала охлаждается до критической температуры 4,48 Кельвина (-268,67 Цельсия или -451,6 Фаренгейта).

В камере частица левитирует. Он состоит из трех кубиков неодимового магнита диаметром 0,25 мм и одной стеклянной сферы диаметром 0,25 мм, склеенных вместе, чтобы создать одну частицу массой около 0,43 миллиграмма.

Аппарат подвешивается на пружинах в системе массовых пружин для защиты экспериментируйте с внешними вибрациями, а криостат размещают на пневматических демпферах для ограничения вибраций от здания.

Наконец, для создания гравитационного градиента позиционируется колесо с электроприводом и набором из трех латунных масс по 2,45 килограмма. . Это оказало на частицу измеримое воздействие – гравитационная сила составила всего 30 аттоньютон.

Это наименьший масштаб, в котором физики измеряли гравитацию: он побил рекорд, установленный всего три года назад с двумя золотыми сферами по 90 миллиграммов. .

И это, по словам исследователей, лишь первый шаг. Теперь, когда они продемонстрировали эффективность своего эксперимента, они стремятся продвинуть его еще дальше.

С этого момента мы начнем уменьшать масштаб источника, используя эту технику, пока не достигнем квантового мира с обеих сторон. «, — говорит Фукс. «Поняв квантовую гравитацию, мы могли бы разгадать некоторые загадки нашей Вселенной – например, как она возникла, что происходит внутри черных дыр или объединить все силы в одну большую теорию».

Такое всегда будет. еще многое предстоит сделать, но теперь начинает казаться, что ответы находятся всего лишь в квантовом скачке.

Исследование команды было опубликовано в журнале Science Advances.