Новое устройство поможет проводить самые маломасштабные измерения силы гравитации

Гравитация — сила, которая притягивает друг к другу два тела, имеющих массу. А еще это одна из четырех фундаментальных сил Вселенной наряду с электромагнетизмом, сильными и слабыми ядерными взаимодействиями. Из четырех сил гравитация самая слабая, но зато и наиболее наглядная. Гравитационная сила позволяет людям ходить по Земле, а планетам — вращаться по орбите вокруг Солнца.

Гравитация любого объекта зависит от его массы и квадрата расстояния до него. Следовательно, чем массивнее тело, тем больше гравитационное притяжение, чем дальше, тем слабее. Один из способов обнаружить гравитацию у объекта в макромире — с помощью искажения света рядом с ним. 

Однако проделать то же самое на микроуровне (в квантовом мире) с частицами, которые находятся друг от друга на маленьких расстояниях и имеют такую же массу, непросто. Отчасти из-за слабости гравитации, которая возникает между этими крошечными объектами, но также и потому, что более крупные тела поблизости могут «зашумлять» гравитацию более мелких тел. Поэтому ученые пока точно не знают, что происходит с гравитацией на микроскопическом уровне, где доминируют квантовые эффекты. Уже давно многие физики ищут способ, который позволил бы провести результативные измерения квантовой гравитации в лабораторных условиях. 

Международная команда физиков из Великобритании, Нидерландов и Италии под руководством Хендрика Ульбрихта (Hendrik Ulbricht) из Саутгемптонского университета (Великобритания) разработала устройство, позволяющее измерить гравитационное притяжение в небольших масштабах. О своем изобретении ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Science Advances.  

Эти измерения удалось провести с помощью левитирующей магнитной частицы, состоящей из трех «склеенных» магнитов Nd 2Fe14B 0,25×0,25×0,25 миллиметра и массой 0,43 миллиграмма (разумеется, это все еще много для квантового мира). Частица поднималась в воздух под действием магнитного поля, чтобы противодействовать гравитации Земли. Магнитное поле создавали сверхпроводящие устройства — электромагнитные экранированные «ловушки». 

Чтобы исследовать поведение частицы, ученые поместили рядом с ней другой объект, большей (испытуемой) массой — около килограмма, который воздействовал на нее своим слабым гравитационным полем. Ученые смогли измерить это воздействие. Выяснилось, что под действием гравитации крупного тела частица смещалась на нанометры, а сила, действующая на частицу, составила всего 30 аттоньютонов (аттоньютон — одна миллиардная миллиардной доли ньютона). Это самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная в экспериментах на сегодняшний день.

Установка физиков. Пружинная система (A), Холодильник, используемый для охлаждения, включая систему пружин (С). Магнитная частица, состоящая из трех магнитов размером 0,25×0,25х 0,25 миллиметров (D). Одна из ловушек (E) / © Hendrik Ulbricht

Во избежание влияния электрических сил и внутреннего воздействия тепла, ученые охладили частицу почти до абсолютного нуля — до около минус 273 градусов по Цельсию. Также физики использовали систему пружин для изоляции внешних вибраций, создаваемых вторым телом. 

По мнению авторов исследования, результаты их работы в будущем приведут к новым открытиям в науке о гравитации и квантовом мире.

«Наша новая техника, которая использует чрезвычайно низкие температуры и устройства для изоляции вибрации частицы, вероятно, сможет существенно продвинуть измерения в области квантовой гравитации», — пояснил Ульбрихт.

Следующий этап эксперимента — уменьшение испытуемой массы объекта до массы магнитной частицы, чтобы можно было измерить гравитационное притяжение, пока частица показывает квантовые эффекты, такие как запутанность или суперпозиция. Ульбрихт отметил, что добиться этого будет сложно, поскольку такие малые массы потребуют невероятной точности всех составляющих опыта, например, точного расстояния между частицей и воздействующим объектом. 

Также необходимо учитывать возможные погрешности, связанные с такими факторами, как температура и магнетизм. По словам физика, на достижение этих целей может уйти как минимум десятилетие. 

Отметим, что опыты, проведенные группой Ульбрихта, не первые в своем роде. В 2021 году физики измерили силу гравитационного притяжения божьей коровки, а точнее, золотого шарика с аналогичной массой — 90 миллиграммов. На тот момент это была самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная в эксперименте.