Вчені зробили найменший вимір гравітації в історії у квантовому квесті

Вчені побили рекорд найменшого вимірювання гравітації за допомогою методу, який, на їхню думку, може стати ще меншим. Настільки малим, що це може допомогти нам визначити, чи є гравітація квантованою, і якщо так, то як загальна теорія відносності та квантова механіка узгоджуються між собою.

Одне з найбільших відкриттів початку 20-го століття полягає в тому, що енергія не є безперервною, а існує в крихітних упаковках, відомих як кванти. Це відкриття, приголомшливе саме по собі, призвело до численних подальших досліджень, які продемонстрували, що інші речі також квантовані. Однак залишається невизначеність щодо того, наскільки далеко це поширюється: чи час і гравітація, наприклад, також існують у настільки малих пакетах, що ми не змогли їх знайти?

Існування квантованої гравітації широко вважається ключем до вирішення очевидної несумісності між квантовою механікою і загальною теорією відносності, нашою найкращою теорією, що описує гравітацію. Однак за десятиліття пошуків не вдалося знайти доказів такого квантування або теоретично обґрунтувати, як воно працюватиме на прийнятному рівні. Нові експерименти наближають нас до цієї мети.

Раніше він працював у Лейденському університеті, а тепер у Саутгемптонському університеті, доктор Тім Фукс очолював команду, яка використовувала левітуючий магніт для вимірювання впливу гравітації на частинку вагою 0,43 міліграма (0,000015 унції), охолоджену до -273,14°C, що на одну десяту градуса вище за абсолютний нуль.

Надхолодні умови мінімізують вібрацію частинки, що дозволило команді виміряти на ній гравітаційне тяжіння всього в 30 аттоньютонів (3*10-17 Н, або 0.00000000000000003 Н, що дорівнює силі удару). Це все одно більше, ніж ймовірний розмір гравітаційних квантів, якщо вони існують. Однак Фукс стверджує, що той самий метод можна зменшити ще більше, поки не з’ясує, чи може гравітація мати будь-яку силу, чи вона обмежується дискретними стрибками. Цей підхід схожий на той, який використовував Роберт Міллікан, щоб вперше виміряти заряд на електроні, показавши, що загальний заряд на краплі нафти завжди кратний певному числу.

“Частинка”, що використовується, хоч і невелика, але знаходиться в межах нашого досвіду – піщинка або шматочок цукру правильної ваги. Сила набагато менша, вона створюється не силою тяжіння всієї Землі, а блоками вагою лише 1 кілограм (2,2 фунта). Колесо регулювало ваги так, щоб їхній вплив на частинку можна було виміряти на різних відстанях.

“Протягом століття вчені намагалися і не змогли зрозуміти, як гравітація і квантова механіка працюють разом, – сказав Фукс у своїй заяві. “Тепер ми успішно виміряли гравітаційні сигнали при найнижчій масі, коли-небудь зафіксованій, а це означає, що ми стали на крок ближче до остаточного розуміння того, як вони працюють в тандемі”.

“Звідси ми почнемо зменшувати джерело, використовуючи цю техніку, поки не досягнемо квантового світу з обох боків”, – продовжив Фукс. “Зрозумівши квантову гравітацію, ми зможемо розгадати деякі таємниці нашого всесвіту – наприклад, як він почався, що відбувається всередині чорних дір, і об’єднати всі сили в одну велику теорію”.

Щоб це сталося, квантова гравітація має бути реальною, в чому деякі фізики сумніваються. Якщо робота Фукса не покаже ознак квантування при все менших силах, ці голоси стануть гучнішими.

Хоча ідея здається простою, гравітацію дуже важко виміряти в мікроскопічному масштабі, оскільки вона дуже слабка. Нам, розчавленим під вагою планети, яка не хоче нас відпускати, це може здаватися не таким. Однак у світі дуже малих тіл гравітація повністю переважує силу трьох інших сил, і експерименти повинні знайти способи пояснити це.

Для цього команді знадобилися надсучасні надпровідні пастки, точні магнітні поля та чутливі детектори, захищені від вібрацій. “Ми розширюємо межі науки, – сказав співавтор дослідження професор Хендрік Ульбріхт. “Розгадка цих таємниць допоможе нам розкрити ще більше секретів про саму тканину Всесвіту, від найменших частинок до найбільших космічних структур”.