Физики измерили самое маленькое гравитационное поле в истории. Почему это важно?

Ученым давно известно, что в нашем понимании гравитации чего-то не хватает. Она, например, не объясняет, как таинственная темная энергия ускоряет расширение Вселенной, а также не согласуется с квантовой механикой, которая описывает, как объекты ведут себя на уровне атомов и элементарных частиц. Один из способов попытаться примирить обе теории – это наблюдать, как маленькие объекты взаимодействуют с гравитацией. Недавно международная команда физиков впервые в истории успешно измерила гравитационное поле крошечного золотого шара диаметром около 2 мм в лабораторных условиях. Новое исследование призвано помочь ученым понять, как гравитация согласуется с квантовой механикой в мельчайших масштабах. Интересно, что гравитационные силы подобной величины, как правило, возникают только в областях самых отдаленных галактик. Так что результаты нового исследования как минимум восхищают.

Золотой шар, использованный в ходе нового исследования в сравнении с монетой.

Эксперимент Генри Кавендиша

В конце 18 века британский физик и химик Генри Кавендиш хотел измерить среднюю плотность нашей планеты. В эксперименте ученый использовал крутильные весы и коромысло, которое он закрепил на длинной металлической нити. В него физик положил два свинцовых шара примерно по 730 граммов каждый. К каждому из этих шаров – на одной высоте – Кавендиш подвел тяжелый шар, около 150 кг, также сделанный из свинца. Кавендиш приложил максимум усилий в ходе эксперимента и поместил установку в деревянный ящик, чтобы потоки воздуха и перепады температуры не оказывали на нее никакого влияния.

Результат, как вероятно знает уважаемый читатель, позволил с удовлетворительной точностью измерить плотность Земли и стал первым в истории экспериментом по изучению гравитационного взаимодействия между телами в лабораторных условиях. Отметим также, что полученные Кавендишом данные впоследствии позволили ученым вычислить гравитационную постоянную.

Гравитационная постоянная или постоянная Ньютона — это фундаментальная физическая постоянная, константа гравитационного взаимодействия.

Средняя плотность Земли равна 5,51. Эти значения разделяют два века и подтверждают огромный экспериментальный талант британца Генри Кавендиша.

Важно понимать, что ученый в своем эксперименте не ставил задачу определения гравитационной постоянной, так как в те годы еще не было выработано единого представления о ней в научном сообществе.

Как измерить гравитационное поле?

В новом исследовании физики из Венского университета и Австрийской академии наук впервые разработали миниатюрную версию эксперимента Кавендиша. Впервые в истории им удалось успешно измерить гравитационное поле золотого шара диаметром всего 2 мм с помощью высокочувствительного торсионного маятника. В этих масштабах команде необходимо было учесть ряд источников возмущений.

Торсионный маятник или вращательный маятник представляет собой механическую систему, в котором тело подвешено на тонкой нити и обладает лишь одной степенью свободы: вращением вокруг оси, задаваемой неподвижной нитью.

В качестве гравитационной массы физики использовали золотые шары, каждый весом около 90 мг. Две золотые сферы были прикреплены к горизонтальному стеклянному стержню на расстоянии 40 миллиметров. Одна из сфер была тестовой массой, другая – противовесом; третья сфера – исходная масса, перемещалась рядом с тестовой массой для создания гравитационного взаимодействия. Для предотвращения электромагнитного взаимодействия сфер использовался экран Фарадея, а эксперимент проводился в вакуумной камере для предотвращения акустических и сейсмических помех.

Крошечный маятник подвешен на тонком стеклянном волокне ощущает гравитационную силу миллиметрового золотого шара.

Затем с помощью лазера ученые смогли отследить как луч отскочил от зеркала в центре стержня к детектору. Когда стержень вращался, движение лазера на детекторе показывало, насколько сильно действует гравитационная сила, а перемещение массы источника позволило команде точно отобразить гравитационное поле, создаваемое двумя массами. Эксперимент показал, что закон всемирного тяготения Ньютона справедлив даже для крошечных масс размером всего 90 миллиграммов.

Читайте также: Может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени?

Полученные результаты также показали, что в будущем могут быть проведены еще более мелкие измерения гравитационного поля. Интересно и то, что новое открытие может помочь ученым продвинуться в исследовании квантового мира и потенциально получить новое представление о темной материи, темной энергии, теории струн и скалярных полях.

Схема, представленная в исследовании. Изобрадени Nature, 2021

Как отметил соавтор исследования Ганс Хепах в интервью New Scientist, самый большой негравитационный эффект в эксперименте был зафиксирован от сейсмических колебаний, генерируемых пешеходами и трамвайным движением вокруг исследовательской лаборатории в Вене. Поэтому наилучшие результаты измерений физики получали ночью и во время рождественских каникул, когда людей на улицах было меньше.

Вам будет интересно: Ученые приблизились к созданию новой теории квантовой гравитации

Источник