Fyzici práve urobili najmenšie meranie gravitačného poľa, aké kedy bolo

(Tobias Westphal/Viedenská univerzita)

Drobné gravitačné pole medzi dvoma 90-miligramovými guľôčkami zlata bolo práve prvýkrát zmerané.

To z neho robí oficiálne najmenšie gravitačné pole, aké kedy bolo úspešne zmerané – úspech, ktorý by mohol otvoriť dvere skúmaniu gravitačných interakcií v kvantovej sfére.

Je tu veľký problém s matematikou, ktorú používame na opis vesmíru; najmä spôsob, akým sa správa gravitácia. Na rozdiel od ostatných troch základných síl vo vesmíre – slabej, silnej a elektromagnetickej – gravitáciu nemožno opísať štandardný model fyziky.



Einsteinova teória všeobecná relativita je model, ktorý používame na opis a predpovedanie gravitačných interakcií, a funguje krásne vo väčšine kontextov. Keď sa však dostaneme ku kvantovým mierkam, všeobecná relativita sa rozpadne a kvantová mechanika preberá. Zosúladenie týchto dvoch modelov sa zatiaľ ukázalo ako veľmi ťažké.

Všeobecná relativita nahrádza predchádzajúci model, Newtonov zákon univerzálnej gravitácie , ktorá nezahŕňala zakrivenie časopriestoru. Uvádza, že gravitačná príťažlivosť medzi dvoma objektmi je priamo úmerná súčinu ich hmotností a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi ich stredmi.

Newtonovská fyzika funguje dobre pre väčšinu pozemských aplikácií, aj keď v astrofyzikálnom prostredí trochu zakopne.

Ale čo naozaj, naozaj malé gravitačné interakcie? Zvyčajne bolo ich meranie skutočne náročné, pretože je také ťažké oddeliť ich od účinkov zemskej gravitácie a iných porúch. Väčšina testov gravitácie v menších mierkach zahŕňala hmotnosti najmenej jeden kilogram (2,2 libry).

Teraz sme sa podstatne zmenšili. Na dosiahnutie tohto cieľa sa tím vedcov pod vedením Tobiasa Westphala z Rakúskej akadémie vied v Rakúsku skutočne obrátil na inšpiráciu do 18. storočia: Konkrétne ide o úplne prvý experiment na meranie gravitácie medzi dvoma hmotami a poskytnutie prvých presných hodnôt pre gravitačná konštanta.

Toto navrhol Henry Cavendish, anglický vedec, ktorý prišiel na to, ako účinne anulovať zemskú gravitáciu. Vytvoril torznú rovnováhu, na každý koniec vodorovne zavesenej tyče pripevnil olovené závažia.

Príťažlivosť medzi závažiami spôsobila rotáciu tyče, krútenie drôtu, na ktorom bola tyč zavesená, čo umožnilo Cavendishovi merať gravitáciu na základe toho, o koľko sa drôt skrútil. Nastavenie sa stalo známym ako Cavendishov experiment .

Westphal a kolegovia upravili Cavendishov experiment pre svoje testy gravitačnej príťažlivosti v malom meradle. Ich hmotnosť boli malé zlaté guľôčky, každá s polomerom len 1 milimeter a hmotnosťou 92 miligramov.

Na týchto mierkach musel tím zohľadniť množstvo zdrojov porúch. Dve zlaté gule boli pripevnené k horizontálnej sklenenej tyči vo vzdialenosti 40 milimetrov. Jedna z gúľ bola testovacia hmota, druhá protiváha; tretia guľa, zdrojová hmota, sa presunula do blízkosti testovacej hmoty, aby sa vytvorila gravitačná interakcia.

Faradayov štít sa použil na blokovanie elektromagnetickej interakcie gúľ a experiment sa uskutočnil vo vákuovej komore, aby sa zabránilo akustickej a seizmickej interferencii.

(Westphal a kol., Nature, 2021)

Laser sa odrazil od zrkadla v strede tyče k detektoru. Keď sa tyč krútila, pohyb lasera na detektore naznačoval, aká veľká gravitačná sila sa vyvíja - a pohyb zdrojovej hmoty umožnil tímu presne zmapovať gravitačné pole generované týmito dvoma hmotami.

Výskumníci zistili, že aj v týchto malých mierkach platí Newtonov univerzálny gravitačný zákon. Z ich meraní boli dokonca schopní vypočítať gravitačná alebo Newtonova konštanta (G), odvodenie hodnoty len 9 percent z medzinárodne odporúčanej hodnoty. Tento nesúlad môže byť podľa nich úplne pokrytý neistotami v ich experimente, ktorý nebol navrhnutý na meranie G.

Celkovo ich výsledok ukazuje, že v budúcnosti možno vykonať ešte menšie merania. To by mohlo pomôcť vedcom skúmať kvantový režim a potenciálne ponúknuť pohľady naň temná hmota , temná energia , teória strún , askalárne polia.

'Náš experiment poskytuje životaschopnú cestu na vstup a preskúmanie režimu gravitačnej fyziky, ktorý zahŕňa presné testy gravitácie s izolovanými mikroskopickými zdrojmi v úrovni alebo pod Planckovou hmotou,' napísali vo svojich novinách .

„To otvára možnosti, ako je odlišný prístup k určovaniu Newtonovej konštanty, ktorá zatiaľ zostáva najmenej dobre určená zo základných konštánt. Vo všeobecnosti môžu miniaturizované presné experimenty umožniť testy gravitačného zákona s inverznou kvadrátom v podstatne menších mierkach, než je možné dnes.

Výskum bol publikovaný v r Príroda .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.