Физики измерили наименьшее из когда-либо зарегистрированных гравитационных полей в эксперименте, который может помочь в поисках единой теории физики.

Из четырех фундаментальных сил, известных физике - слабое и сильное взаимодействия, электромагнитная сила и гравитационная сила - только гравитация остается не интегрированной в учебник физики, называемый Стандартной моделью, которая описывает, как ведет себя зоопарк субатомных частиц. Вместо этого гравитация описывается общей теорией относительности Эйнштейна, но, поскольку она не работает в квантовом масштабе, наша лучшая картина Вселенной остается разделенной на две части.

В результате физика до сих пор не может описать, как гравитация работает на субатомных масштабах, из-за чего физики ломают голову, когда дело доходит до понимания сингулярностей, лежащих в центрах черных дыр, или того, почему гравитация настолько слабее по силе, чем все остальные. другие силы.

Но новый эксперимент, в котором измеряется крошечное гравитационное притяжение между двумя крошечными золотыми сферами, каждая размером всего 2 миллиметра в поперечнике, может стать первым из многих, который даст ключ к разгадке того, как гравитация действует в этих масштабах.

«Это был эксперимент, подтверждающий правильность концепции, по созданию датчика, способного измерять очень малые ускорения, и разработке методов, которые позволили бы нам обнаруживать даже меньшие гравитационные силы», - соавтор исследования Джеремиас Пфафф, докторант Университета Вена, рассказала Live Science. «В долгосрочной перспективе мы хотели бы ответить, как выглядит гравитационное поле квантового объекта в суперпозиции, но на этом пути еще многое предстоит сделать», - сказал Пфафф, имея в виду гравитацию, испытываемую субатомными объектами. частица, находящаяся сразу в двух квантовых состояниях.

Чтобы получить представление о том, как гравитация работает в малых масштабах, исследователи использовали крошечную версию торсионных весов - устройство, впервые разработанное английским ученым Генри Кавендишем в 1798 году для измерения плотности Земли и, исходя из этого, силы гравитационного поля. константа называется G.

Торсионные весы представляют собой горизонтальную штангу, подвешенную к центру на проволоке с двумя массами, в данном случае золотыми сферами, прикрепленными к каждому концу. Это означает, что если к горизонтальной оси стержня приложить крошечную силу, проволока будет скручиваться, и ученые могут измерить приложенную силу в зависимости от того, на сколько стержень повернулся. Поместив третью золотую сферу в непосредственной близости с одной из сфер, прикрепленных к концу стержня, исследователи смогли измерить силу тяжести между ней и прикрепленной сферой.

Сила, которую искали исследователи, была крошечной. При величине примерно 9 × 10 ^ минус 14 ньютонов это будет сила, которую треть клетки крови человека испытает в гравитационном поле Земли. Таким образом, эксперимент должен был быть невероятно чувствительным, и исследователи должны были минимизировать воздействие внешнего шума, убедиться, что на устройстве не накапливаются паразитные заряды, и найти способ обнаружить желаемый сигнал.

«Городская среда также далека от идеала», - сказал Пфафф. «Было потрясающе видеть, что мы не только чувствительны к небольшим землетрясениям, но и к местному трамваю и маршрутным автобусам. Мы даже смогли увидеть Венский городской марафон по нашим данным».

Они избавились от любых паразитных зарядов, затопив область вокруг устройства ионизированным азотом перед тем, как поместить его в вакуум. Они также заставили крошечный гравитационный сигнал, который они искали, выделяться больше, очень медленно перемещая две сферы ближе и дальше друг от друга.

Точно так же, как мигающий свет более заметен, чем постоянный, возрастающую и уменьшающуюся гравитационную силу между сферами было гораздо легче заметить, чем если бы они были неподвижными. Это позволило исследователям определить силу гравитационной силы между двумя сферами, а также найти собственное измерение гравитационной постоянной.

Пока что в том масштабе, который они измеряли, гравитация следовала тем же предсказуемым правилам, что и в больших масштабах. Физики теперь надеются сделать свой эксперимент еще более чувствительным, чтобы они могли улавливать меньшие сигналы от масс, по крайней мере, в 1000 раз легче и на меньших расстояниях. Это могло бы дать важные ключи к теории, объясняющей гравитацию как в малых, так и в больших масштабах, а также к пониманию других загадок, таких как существование темной материи, таинственной формы материи, которая не излучает свет, но оказывает гравитационное притяжение.

В меньших масштабах исследователи могли бы начать обнаруживать совершенно новые способы взаимодействия материи через гравитацию - способы, которые следуют гораздо более странным правилам квантового мира. Если они это сделают, физика может, наконец, начать устранять разрыв между нашими большими и маленькими изображениями Вселенной.

«Расширение наших знаний об этой неуловимой силе может помочь нам собрать подсказки, чтобы найти более фундаментальное понимание нашей физической реальности», - сказал Пфафф.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Физики измерили гравитацию в мельчайших масштабах