Физики провели измерение самого слабого гравитационного поля в истории
Крошечное гравитационное поле между двумя золотыми сферами весом 90 миллиграммов было измерено впервые.
Это официально делает его самым гравитационным полем, когда-либо успешно измеренным — достижение, которое может открыть дверь для исследования гравитационных взаимодействий в квантовой сфере.
Есть большая проблема с математикой, которую мы используем для описания Вселенной; в частности, как ведет себя гравитация. В отличие от трех других фундаментальных сил во Вселенной — слабой, сильной и электромагнитной — гравитацию нельзя описать с помощью стандартной модели физики.
Общая теория относительности Эйнштейна — это модель, которую мы используем для описания и предсказания гравитационных взаимодействий, и она прекрасно работает в большинстве контекстов. Однако когда мы переходим к квантовым масштабам, общая теория относительности рушится, и квантовая механика берет верх. Согласовать две модели до сих пор не получается.
Общая теория относительности заменяет более раннюю модель, закон всемирного тяготения Ньютона, в которой не учитывалась кривизна пространства-времени. Он утверждает, что гравитационное притяжение между двумя объектами прямо пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между их центрами.
Ньютоновская физика хорошо работает для большинства земных приложений, даже если она немного спотыкается в астрофизических условиях.
Но как насчет действительно очень малых гравитационных взаимодействий? Как правило, их было действительно сложно измерить, потому что их так сложно отделить от воздействия гравитации Земли и других возмущений. Большинство испытаний на гравитацию в меньших масштабах проводились с массой не менее килограмма.
Группа ученых во главе с Тобиасом Вестфалом из Австрийской академии наук в Австрии фактически обратилась к 18 веку за вдохновением: а именно к самому первому эксперименту по измерению силы тяжести между двумя массами и получению первых точных значений для гравитационной постоянной.
Он был разработан Генри Кавендишем, английским ученым, который придумал, как эффективно нейтрализовать земное притяжение. Он создал крутящиеся весы, прикрепив свинцовые грузы на каждом конце горизонтально подвешенного стержня.
Притяжение между грузами заставляло стержень вращаться, скручивая проволоку, на которой был подвешен стержень, что позволяло Кавендишу измерить силу тяжести в зависимости от того, насколько скручена проволока. Установка стала известна как эксперимент Кавендиша.
Вестфаль и его коллеги модифицировали эксперимент Кавендиша для своих тестов гравитационного притяжения в малых масштабах. Их масса представляла собой крошечные золотые сферы, каждая всего в 1 миллиметр в радиусе и 92 миллиграмма в весе.
В этих масштабах команде нужно было учесть ряд источников возмущений. Две золотые сферы были прикреплены к горизонтальному стеклянному стержню на расстоянии 40 миллиметров. Одна из сфер была испытательной массой, другая — противовесом; третья сфера, исходная масса, была перемещена рядом с пробной массой, чтобы создать гравитационное взаимодействие.
Для защиты сфер от электромагнитного взаимодействия использовался экран Фарадея, а эксперимент проводился в вакуумной камере для предотвращения акустических и сейсмических помех.
Лазер отражался от зеркала в центре стержня к детектору. Когда стержень вращался, движение лазера на детекторе показывало, сколько гравитационной силы было приложено, и перемещение массы источника позволило команде точно отобразить гравитационное поле, создаваемое двумя массами.
Исследователи обнаружили, что даже в таких малых масштабах универсальный закон всемирного тяготения Ньютона остается в силе. На основе своих измерений они даже смогли вычислить гравитационную или ньютоновскую постоянную (G), получив значение всего 9 процентов от международно рекомендованного значения. По их словам, это расхождение может быть полностью покрыто погрешностями в их эксперименте, который не был предназначен для измерения G.
В целом их результат показывает, что в будущем могут быть предприняты еще более точные измерения. Это может помочь ученым исследовать квантовый режим и потенциально предложить понимание темной материи, темной энергии, теории струн и скалярных полей.
«Теперь мы видим другой подход к определению постоянной Ньютона, которая до сих пор остается наименее точно определенной из фундаментальных констант. В целом миниатюрные прецизионные эксперименты могут позволить проверить закон обратных квадратов гравитации в значительно меньших масштабах, чем возможно сегодня».
Исследование опубликовано в журнале Nature.
