Ученые измерили гравитационное притяжение между мельчайшими объектами 

Фото из открытых источников

Мы привыкли думать о гравитации в контексте больших масс – вихревое движение планет, неумолимое притяжение черной дыры. Но всё, что обладает массой, какой бы малой она ни была, оказывает гравитационное притяжение на всё остальное.

Однако существует ожидаемая граница, где классическая динамика, столь элегантно описываемая общей теорией относительности, должна каким-то образом согласоваться с прекрасным хаосом квантовой механики.

Как нам найти этот рубеж? Путем попыток измерить гравитационные взаимодействия во все меньших и меньших масштабах, постоянно совершенствуя методы, чтобы однажды, будем надеяться, мы смогли хотя бы мельком увидеть, что там скрывается.

И вот теперь физики во главе с Шань-Цин Яном из Университета Сунь Ятсена в Китае объявили о новом достижении – измерении гравитационного притяжения между самой малой парой масс на сегодняшний день, двумя кремниевыми пластинами, каждая из которых весит всего 7,6 миллиграмма.

Как пишут авторы в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, это «значительный шаг на пути к преодолению разрыва между классическим и квантовым режимами гравитации».

Общая теория относительности и квантовая теория — это два разных способа математического описания поведения Вселенной в разных масштабах.

Теория относительности описывает гравитацию как искривление непрерывной ткани пространства-времени, в то время как квантовая механика описывает поведение материи и энергии с помощью математики вероятности.

Обе теории добились замечательных успехов в своих областях, но их математические модели не всегда согласуются друг с другом, в результате чего у физиков отсутствует полное описание поведения гравитации при наличии квантовых эффектов.

Чтобы проникнуть в этот режим, физики в последние годы обратились к эксперименту, прославившемуся благодаря английскому учёному XVIII века Генри Кавендишу, который позволил выделить гравитационное притяжение между относительно небольшими массами, оторванное от подавляющего притяжения Земли.

Эксперимент Кавендиша представлял собой крутильные весы, к каждому концу горизонтально подвешенного стержня были прикреплены свинцовые грузы, а рядом с ними располагались более крупные свинцовые грузы.

Сила притяжения между находящимися рядом грузами и грузами на стержне заставляла стержень вращаться, скручивая проволоку, на которой он был подвешен, что позволяло Кавендишу измерять гравитационное притяжение на основе величины скручивания проволоки.

В 2021 году группа физиков описала на тот момент самую легкую демонстрацию эффекта Кавендиша — измерение гравитационного притяжения между двумя крошечными золотыми сферами, каждая из которых весила около 92 миллиграммов.

В своей статье они бросили вызов, предложив выйти за рамки возможного еще дальше. Ян и его коллеги, по всей видимости, согласились. Их версия эксперимента Кавендиша отличалась особым шармом.

Используя метод глубокого травления кремния, исследователи создали миниатюрные торсионные весы, в которых на одном конце подвешенного стержня находилась крошечная кремниевая пластинка весом всего 7,6 миллиграмма, а на другом — противовес.

Но вместо того, чтобы разместить рядом одну массу, создающую гравитационное притяжение, команда построила вращающееся колесо, по окружности которого были расположены 16 одинаковых кремниевых пластин.

По мере вращения колеса каждая пластинка последовательно проходила вблизи тестовой массы, оказывая небольшое гравитационное воздействие.

Колесо совершало оборот каждые 10 минут, что означает, что гравитационное притяжение повторялось 16 раз за один оборот — четкий повторяющийся сигнал, который исследователи смогли отличить от фонового шума.

Вся установка была помещена в вакуумную камеру, а вращающиеся массы от крутильных весов были отделены тонкой кремниевой мембраной с золотым покрытием, чтобы минимизировать влияние электростатических сил.

Вместо того чтобы позволять балансиру свободно вращаться, исследователи использовали электронную систему обратной связи, чтобы удерживать его практически в неподвижном состоянии, измеряя силу, необходимую для противодействия гравитационному притяжению.

Изучив крутящий момент на торсионных весах, они обнаружили гравитационное притяжение, соответствующее предсказаниям Ньютона, включая ничтожно малое усилие, рассчитанное всего в 471 аттоньютон, или 0,000000000000000471 ньютона, при минимальном расстоянии между объектами.

Для сравнения, это примерно в 20 миллиардов раз слабее, чем сила гравитации, удерживающая на поверхности Земли одно песчинку массой 1 миллиграмм.

Исследователи обнаружили, что даже в этих почти астрономически малых масштабах закон всемирного тяготения Ньютона остается в силе.

На основе своих измерений они даже смогли рассчитать гравитационную постоянную ( G ), получив значение, соответствующее международно рекомендованному значению, с погрешностью в 5,3 процента.

Следует уточнить, что это всё ещё далеко от квантовой гравитации. Но это значительный шаг вперёд по сравнению с тем, что было раньше.

Чтобы приблизиться к цели еще ближе, физики разрабатывают целый ряд методов измерения гравитации во все меньших масштабах, от крутильных весов, подобных тем, что использовал Янг, до систем, которые удерживают крошечные объекты с помощью света или магнитных полей.

Каждый подход сопряжен со своими трудностями, в частности, с необходимостью устранения помех и сохранения тонких квантовых состояний изучаемых объектов.

В конечном итоге, цель состоит в том, чтобы измерить гравитацию между объектами, поведение которых регулируется квантовой механикой, чтобы выяснить, обладает ли сама гравитация квантовыми свойствами.

В совокупности эти различные подходы вселяют надежду на то, что подобный метод измерения может стать достижимым.

«Дальнейшее развитие этих подходов, каждый из которых работает в разных, но все более перекрывающихся диапазонах масс, вселяет надежду на то, что гравитационные взаимодействия между объектами в квантовых состояниях могут быть обнаружены в обозримом будущем», — пишут Ян и его коллеги.