Działając na małą cząstkę lewitującą w pułapce magnetycznej, fizycy zmierzyli najmniejszą zarejestrowaną siłę grawitacji.
Cząstka ważyła zaledwie 0,43 grama. Siła ciężkości działająca na wagę wynosiła attonewtony (10-18 Niuton). Jest to na tyle małe, że mieści się na granicy sfery kwantowej, co stwarza możliwość odkrycia interakcji fizyki klasycznej i mechaniki kwantowej.
„Przez sto lat naukowcy bezskutecznie próbowali zrozumieć, w jaki sposób grawitacja i mechanika kwantowa współdziałają”. mówi fizyk Tim Fox z Uniwersytetu w Leiden i Uniwersytetu w Southampton, które kierowały badaniami.
„Udało nam się teraz zmierzyć sygnały grawitacyjne o najmniejszej kiedykolwiek zarejestrowanej masie, co oznacza, że jesteśmy o krok bliżej zrozumienia, jak działają one w tandemie”.
Problem grawitacji kwantowej najlepiej można opisać jako nierozwiązywalny, przynajmniej na razie. Chodzi o nasze ramy wyjaśniania wszechświata.
Fizyka klasyczna – grawitacja – wyjaśnia, jak rzeczy działają w większości skal. Kiedy stajemy się bardzo mali, aż do skali atomowej i subatomowej, grawitacja nie jest już w stanie wyjaśnić tego, co widzimy.
Dlatego fizycy używają mechaniki kwantowej i to jest świetne. Ale tak jak fizyki klasycznej nie można zastosować do skal kwantowych, tak mechanika kwantowa nie działa w skalach klasycznych. Jednak w jakiś sposób wszechświat działa. Prowadzi to naukowców do przekonania, że nie znaleziono jeszcze rozwiązania między tymi dwoma strukturami.
Jednym z potencjalnych sposobów zbadania tego problemu jest zbadanie grawitacji w bardzo małych skalach. Jest to jednak trudniejsze, niż mogłoby się wydawać: grawitacja jest wszędzie we wszechświecie, a wydobycie sygnału w skali kwantowej w środowisku grawitacyjnym Ziemi nie jest łatwe.
Aby obejść ten dylemat, Fuchs i jego zespół zastosowali tak zwaną nadprzewodzącą pułapkę magnetyczną. Małą pułapkę wykonaną z tantalu schładza się do temperatury krytycznej 4,48 K (-268,67 ° C lub -451,6 ° F).
W komorze cząstki są unoszone. Ten składa się z trzech Pola magnesów neodymowych o średnicy 0,25 mm Szklana kulka o średnicy 0,25 mm została sklejona, tworząc pojedynczą cząstkę o masie około 0,43 grama.
Urządzenie zawieszone jest na sprężynach w zbiorczym układzie sprężyn, aby zabezpieczyć eksperyment przed drganiami zewnętrznymi, a kriostat umieszczony jest na przepustnicach powietrza, aby ograniczyć drgania pochodzące z budynku.
Na koniec umieszczono elektrycznie napędzane koło z zestawem trzech miedzianych bloków o masie 2,45 kg, aby wytworzyć gradient grawitacyjny. Wywołało to wymierny wpływ na cząstkę – siła grawitacji wynosząca zaledwie 30 ton.
To najmniejsza skala, w jakiej fizycy mierzą grawitację, pobijając rekord ustanowiony zaledwie trzy lata temu za pomocą dwóch 90-miligramowych złotych kulek.
Naukowcy twierdzą, że to dopiero pierwszy krok. Teraz, gdy udowodnili skuteczność swojego eksperymentu, zamierzają posunąć go znacznie dalej.
„Odtąd zaczniemy zmniejszać rozmiar źródła za pomocą tej techniki, aż dotrzemy do świata kwantowego po obu stronach”. Lis mówi. „Rozumiejąc grawitację kwantową, możemy rozwiązać niektóre tajemnice naszego wszechświata – na przykład jego początek, co dzieje się wewnątrz czarnych dziur czy połączenie wszystkich sił w jedną wielką teorię”.
Zawsze będzie więcej do zrobienia, ale teraz zaczynamy mieć wrażenie, że odpowiedzi są już tylko o krok milowy.
Wyniki badań zespołu opublikowano w czasopiśmie Postęp nauki.