General, Research, Technology

Фізики виміряли найменше гравітаційне поле в історії. Чому це важливо?

Вченим давно відомо, що в нашому розуміннігравітації чогось не вистачає. Вона, наприклад, не пояснює, як таємнича темна енергія прискорює розширення Всесвіту, а також не узгоджується з квантовою механікою, яка описує, як об'єкти поводяться на рівні атомів і елементарних частинок. Один із способів спробувати примирити обидві теорії - це спостерігати, як маленькі об'єкти взаємодіють з гравітацією. Нещодавно міжнародна команда фізиків вперше в історії успішно виміряла гравітаційне поле крихітного золотого кулі діаметром близько 2 мм в лабораторних умовах. Нове дослідження покликане допомогти вченим зрозуміти, як гравітація узгоджується з квантовою механікою в найдрібніших масштабах. Цікаво, що гравітаційні сили подібної величини, як правило, виникають тільки в областях найвіддаленіших галактик. Так що результати нового дослідження як мінімум захоплюють.

Золота куля, використаний в ході нового дослідження в порівнянні з монетою.

Експеримент Генрі Кавендіша

В кінці 18 століття британський фізик і хімік ГенріКавендіш хотів виміряти середню щільність нашої планети. В експерименті вчений використовував крутильні ваги і коромисло, яке він закріпив на довгій металевої нитки. У нього фізик поклав два свинцевих кулі приблизно по 730 грамів кожен. До кожного з цих куль - на одній висоті - Кавендіш підвів важку кулю, близько 150 кг, також зроблений зі свинцю. Кавендіш доклав максимум зусиль в ході експерименту і помістив установку в дерев'яний ящик, щоб потоки повітря і перепади температури не чинили на неї ніякого впливу.

Результат, як ймовірно знає шановний читач,дозволив з задовільною точністю виміряти щільність Землі і став першим в історії експериментом з вивчення гравітаційного взаємодії між тілами в лабораторних умовах. Відзначимо також, що отримані Кавендіш дані згодом дозволили вченим обчислити гравітаційну постійну.

Гравітаційна постійна або постійна Ньютона - це фундаментальна фізична стала, константа гравітаційної взаємодії.

Середня щільність Землі дорівнює 5,51. Ці значення поділяють два століття і підтверджують величезний експериментальний талант британця Генрі Кавендіша.

Важливо розуміти, що вчений в своєму експерименті не ставив завдання визначення гравітаційної постійної, так як в ті роки ще не було вироблено єдиного уявлення про неї в науковому співтоваристві.

Як виміряти гравітаційне поле?

У новому дослідженні фізики з Віденськогоуніверситету та Австрійської академії наук вперше розробили мініатюрну версію експерименту Кавендіша. Вперше в історії їм вдалося успішно виміряти гравітаційне поле золотого кулі діаметром всього 2 мм за допомогою високочутливого торсіонного маятника. У цих масштабах команді необхідно було врахувати ряд джерел збурень.

торсійний маятник або обертальний маятник являє собою механічну систему, в якому тіло підвішене на тонкій нитці і володіє лише одним ступенем свободи: обертанням навколо осі, що задається нерухомою ниткою.

Як гравітаційної маси фізикивикористовували золоті кулі, кожен вагою близько 90 мг. Дві золоті сфери були прикріплені до горизонтального скляному стрижня на відстані 40 міліметрів. Одна зі сфер була тестової масою, інша - противагою; третя сфера - вихідна маса, переміщалася поруч з тестової масою для створення гравітаційної взаємодії. Для запобігання електромагнітної взаємодії сфер використовувався екран Фарадея, а експеримент проводився у вакуумній камері для запобігання акустичних і сейсмічних перешкод.

Крихітний маятник підвішений на тонкому скляному волокні відчуває гравітаційну силу міліметрового золотого кулі.

Потім за допомогою лазера вчені змогли відстежитияк промінь відскочив від дзеркала в центрі стрижня до детектора. Коли стрижень обертався, рух лазера на детекторі показувало, наскільки сильно діє гравітаційна сила, а переміщення маси джерела дозволило команді точно відобразити гравітаційне поле, створюване двома масами. Експеримент показав, що закон всесвітнього тяжіння Ньютона справедливий навіть для крихітних мас розміром всього 90 міліграмів.

Читайте також: Чи може квантова механіка пояснити існування простору-часу?

Отримані результати також показали, що вмайбутньому можуть бути проведені ще більш дрібні вимірювання гравітаційного поля. Цікаво й те, що нове відкриття може допомогти вченим просунутися в дослідженні квантового світу і потенційно отримати нове уявлення про темну матерію, темну енергію, теорії струн і скалярних полях.

Схема, представлена ​​в дослідженні. Ізобрадені Nature, 2021

Як зазначив співавтор дослідження Ганс Хепах вінтерв'ю New Scientist, найбільший негравітаціонних ефект в експерименті було зафіксовано від сейсмічних коливань, що генеруються пішоходами і трамвайних рухом навколо дослідницької лабораторії в Відні. Тому найкращі результати вимірювань фізики отримували вночі і під час різдвяних канікул, коли людей на вулицях було менше.

Вам буде цікаво: Вчені наблизилися до створення нової теорії квантової гравітації

Якщо спробувати коротко резюмувати отримані вПід час роботи результати, гравітаційна сила (згідно з Ейнштейном) є наслідком того, що маси викривляють простір-час, в якому рухаються інші маси. У новому експерименті фізикам вдалося виміряти те, як простір-час викривляє сонечко. А як ви думаєте, до чого призведе нове відкриття? Чи вдасться вченим нарешті примирити дві які стикуються теорії? Відповідь будемо чекати тут, а також в коментарях до цієї статті.