Vedci merali gravitáciu s objektom 90 miligramov

Gravitácia sa môže javiť ako jedna z najznámejších síl, ale v skutočnosti patrí medzi tie, ktoré podceňujeme. Vieme, že náš súčasný model gravitácie je nekompatibilný s kvantovou mechanikou. Rovnako zlyháva aj pri udalostiach, ktoré sme nazvali Temná hmota a Temná energia. Štúdium gravitácie je, bohužiaľ, mimoriadne náročné, pretože je najďalej a najslabšie zo síl. Aby sme tento problém detekcie gravitačných vĺn vyriešili, musíme postaviť dve obrovské observatóriá, ktoré sú rozmiestnené dostatočne ďaleko na to, aby hluk ovplyvňujúci jedno neklesol na druhý.

Gravitačné vlny, ktoré sme detekovali, pochádzajú z ťažkých predmetov, ako sú neutrónové hviezdy a čierne diery. Vedci vo Viedni teraz oznámili pokrok smerom k detekcii gravitačnej sily generovanej malými objektmi – v tomto prípade len niečo cez dva milimetre zlata a hmotnosť menej ako desatinu gramu. Jeho práca poskytuje prvé meranie gravitácie na týchto váhach a vedci sú si celkom istí, že môžu byť malé.

Je to také hlučné

Uvažovaná práca obsahuje pomerne špecifický nástroj pre tieto typy experimentov. Skladá sa z pevného pásu so zlatou guľou na každom konci. Tyč je zavesená vo svojom stredovom bode, čo jej umožňuje voľne sa otáčať okolo vodorovnej roviny. Na jeho ohnisko je tiež umiestnené zrkadlo, ktoré sa používa na odrážanie laseru.

Ak sa hmota priblíži k jednej zo zlatých guľôčok, zvýši sa to gravitačná sila, ktorá loptu priťahuje k nej. Následná rotácia spôsobí, že sa zrkadlo bude otáčať spolu s ním, kde sa odrazí, keď laser skončí. Takto sa vytvorí mimoriadne citlivá miera gravitačnej príťažlivosti generovanej hmotou. Alebo by to bolo, keby všetko nebolo ovplyvnené environmentálnym hlukom.

Zoznam zdrojov hluku, na ktoré musia autori pamätať. Vedci spočiatku špekulujú, že gravitačná sila, ktorú sa pokúšajú merať, môže pochádzať od osoby, ktorá kráča do 3 metrov od experimentálneho zariadenia alebo od viedenskej električky vzdialenej do 50 metrov od neho. Nakoniec experimentovali v noci na zimných prázdninách a obmedzili tak bludné zdroje gravitačného rušenia s ďalším účinkom lokálneho zníženia seizmického hluku.

Celý experiment sa uskutočňoval vo vákuu a našli sa gumené nohy, ktoré zostali vo vákuu mäkké, aby tlmili štruktúru držiacu zavesený kovový pás.

Pred vytvorením vákua v experimente vedci zaplavili prístroj ionizovaným dusíkom, aby sa zbavili prípadných bludných nábojov. A pre každý prípad vložili medzi dve zlaté guľky Faradayov štít, aby zabránili akejkoľvek elektrostatickej príťažlivosti.

Aj keď to všetko udržovalo šum v experimente na veľmi nízkej úrovni, existuje tiež malý náznak príťažlivosti medzi dvoma 90 miligramami sféry zlata. Vedci preto namiesto iba premostenia presunuli pole pravidelným spôsobom a vytvorili tak stabilnú príťažlivosť pre obyvateľov. Frekvencia tejto rezonancie bola zvolená veľmi odlišne od prirodzenej rezonancie opakovaného kyvadla.

Malá sila

Správanie celého nastavenia je monitorované videokamerou, ktorá nepretržite sleduje polohu dvoch zlatých polí. Počas experimentu sa ich separácia pohybovala od 2,5 milimetra do 5,8 milimetra. Celkovo výskumy odhadujú, že ich systém je schopný akcelerovať už len 2 x 10^{-1 1} Merač / sekundu²Bude to však trvať pol dňa monitorovania.

Celkovo je tu gravitačná sila asi 9 x 10^-14 Newton. Vedci tiež použili svoje výsledky na odvodenie gravitačných konštánt. Aj keď je vyčerpaný len veľmi málo (9 percent), stále je v neistote ich experimentálnych meraní.

Výsledkom je pôsobivý technologický úspech. Vedci sa však domnievajú, že 90 miligramov je v skutočnosti na ťažšej strane položiek, ktoré sa dajú merať týmto spôsobom. A ako sa veci zosvetľujú, je tu niekoľko dramaticky zvláštnych vecí, ktoré by sa dali potenciálne vyskúšať.

Napríklad, ako je uvedené vyššie, naša teória gravitácie je nekompatibilná s kvantovou mechanikou. Ale podarilo sa nám dosiahnuť, aby sa čoraz väčšie systémy správali ako kvantové objekty. Ak zistíme, že tieto merania sú dostatočne citlivé, je možné zmerať gravitačnú príťažlivosť objektu prítomného v kvantovej superpozícii medzi dvoma miestami. Inými slovami, neexistuje spôsob, ako presne povedať, kde to je, zatiaľ čo gravitačná sila závisí od toho, kde je.

Medzi ďalšie možné testy patria niektoré varianty teórie strún, modifikovaná newtonovská dynamika (MAND, hypotetická a nepopulárna náhrada za Dark Matter) a niektoré vysvetlenia temnej energie. Ale toto všetko bude fungovať úplne na tomto experimentálnom nastavení, ktoré je oveľa menšie ako miligramová škála. Ako prvý krok bude teda dôležité, aby vedci zodpovední za túto prácu uviedli, že majú aspoň nejaký sľubný potenciál.

Príroda, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03250-7 ()O DOI) Patrí do.