Физикам международной команды удалось определить гравитационное взаимодействие магнитной частицы, масса которой в 200 раз меньше массы божьей коровки. Ученые рассчитывают, что их разработка в перспективе поможет раскрыть механизмы гравитации на квантовом уровне.
Гравитация — это сила притяжения, действующая между двумя телами, обладающими массой. Она также является одной из четырех фундаментальных сил, определяющих структуру Вселенной, вместе с электромагнетизмом, сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Несмотря на то, что гравитация — самая слабая из этих сил, она наиболее заметна в повседневной жизни. Благодаря гравитационной силе люди могут ходить по Земле, а планеты вращаются вокруг Солнца.
Гравитационное воздействие любого объекта определяется его массой и расстоянием до него, причем сила притяжения обратно пропорциональна квадрату этого расстояния. Таким образом, чем больше масса тела, тем сильнее гравитационное притяжение, а чем больше расстояние – тем оно слабее. Одним из методов выявления гравитации объекта в крупномасштабных структурах является наблюдение за отклонением световых лучей, проходящих вблизи него.
Воссоздать подобное на микроуровне, работая с частицами, расположенными на небольших расстояниях и обладающими одинаковой массой, представляет собой сложную задачу. Это частично связано со слабой гравитацией, проявляющейся между этими крошечными объектами, а также с тем, что близлежащие массивные тела способны искажать гравитационное воздействие на менее массивные. В связи с этим, ученые до сих пор не имеют четкого представления о природе гравитации в микромире, где преобладают квантовые явления. Многие физики давно ищут метод, позволяющий получить точные результаты измерений квантовой гравитации в лабораторных условиях.
Международная группа физиков из Великобритании, Нидерландов и Италии, возглавляемая Хендриком Ульбрихтом ( Hendrik Ulbricht) ученые из Саутгемптонского университета (Великобритания) создали устройство для измерения гравитационного притяжения в малых масштабах. Результаты своей разработки они представили в научной статье, опубликованной в журнале Science Advances.
Использование левитирующей магнитной частицы, собранной из трех соединенных магнитов, позволило провести эти измерения Nd 2Fe14B размеры частицы составляли 0,25×0,25×0,25 миллиметра, а ее масса – 0,43 миллиграмма (что, тем не менее, является значительным значением для квантового масштаба). Для преодоления гравитационного притяжения Земли частицу поднимали в воздух с помощью магнитного поля. Создание магнитного поля обеспечивалось сверхпроводящими устройствами, представляющими собой электромагнитные экранированные «ловушки».
Для изучения поведения частицы исследователи расположили рядом с ней объект значительно большей массы – приблизительно килограмм. Этот объект создавал слабое гравитационное поле, которое и воздействовало на частицу. Измеренное воздействие показало, что под действием гравитационного поля крупного тела частица сместилась на нанометры, при этом сила, действующая на нее, составила всего 30 аттоньютонов (аттоньютон равен одной миллиардной миллиардной доли ньютона). Данное значение является наименьшей силой тяготения, зарегистрированной в экспериментах на текущий момент.
Чтобы минимизировать воздействие электрических сил и внутреннего теплового воздействия, исследователи охладили частицу почти до абсолютного нуля — до приблизительно минус 273 градусов Цельсия. Для защиты от внешних вибраций, возникающих во втором теле, физики применяли систему пружинной изоляции.
Авторы исследования полагают, что их работа станет основой для дальнейших открытий в области гравитации и квантовой физики.
«По словам Ульбрихта, новая технология, применяющая экстремально низкие температуры и виброизолирующие устройства для частиц, вероятно, позволит добиться значительного прогресса в исследованиях квантовой гравитации.
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.
Следует также принимать во внимание потенциальные ошибки, обусловленные такими параметрами, как температура и магнитное поле. По оценке физика, для реализации этих задач потребуется не менее десяти лет.
Подобные исследования, проведенные группой Ульбрихта, не являются уникальными. 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.