Na styku ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Chińscy fizycy zmierzyli przyciąganie grawitacyjne obiektów o masie 7,6 miligrama

Ostatecznym celem współczesnej fizyki fundamentalnej pozostaje zaobserwowanie oddziaływania grawitacyjnego pomiędzy obiektami znajdującymi się w stanach ściśle kwantowych, co pozwoliłoby rozstrzygnąć, czy sama grawitacja podlega prawom kwantowania. Choć ogólna teoria względności Einsteina bezbłędnie opisuje zakrzywienie czasoprzestrzeni przez wielkie masy, a mechanika kwantowa z niebywałą precyzją operuje rachunkiem prawdopodobieństwa w mikroświecie, ich aparaty matematyczne wykluczają się wzajemnie, uniemożliwiając stworzenie spójnej teorii kwantowej grawitacji.
Na styku ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Chińscy fizycy zmierzyli przyciąganie grawitacyjne obiektów o masie 7,6 miligrama

Aby zbliżyć się do tej nieuchwytnej granicy, laboratoria na całym świecie rozwijają alternatywne metody lewitacji optycznej i magnetycznej, a także miniaturyzują klasyczne układy mechaniczne. W najnowszej pracy opublikowanej na łamach czasopisma Nature Communications zespół fizyków pod kierunkiem prof. Shan-Qinga Yanga z Uniwersytetu Sun Jat-sena w Chinach wykazał, że klasyczne prawo powszechnego ciążenia Newtona zachowuje pełną ważność nawet na poziomie submiligramowych sił, wyznaczając stałą grawitacji G z niepewnością pomiarową wynoszącą 5,3 procent.

Pomiar ten nawiązuje bezpośrednio do słynnego doświadczenia z wagą skręceń, przeprowadzonego pod koniec XVIII wieku przez angielskiego uczonego Henry’ego Cavendisha w celu wyizolowania przyciągania niewielkich ołowianych kul od przytłaczającej grawitacji Ziemi. W 2021 roku międzynarodowa grupa badaczy pobiła ówczesny rekord miniaturyzacji tego eksperymentu, mierząc oddziaływanie grawitacyjne dwóch złotych kulek o masie około 92 miligramów każda i rzucając wyzwanie środowisku naukowemu, by przesunąć tę barierę jeszcze dalej. 

Zespół z Uniwersytetu Sun Jat-sena podjął to wyzwanie, wykorzystując technologię głębokiego trawienia krzemu do skonstruowania miniaturowego ramienia wagi skręceń, na którego końcu umieszczono pojedynczą krzemową płytkę testową o masie zaledwie 7,6 miligrama, zrównoważoną przeciwwagą po przeciwnej stronie.

Aby wyodrębnić skrajnie nikły sygnał z szumu sejsmicznego i termicznego, autorzy zrezygnowali z pojedynczej masy przyciągającej na rzecz obracającego się koła, na obwodzie którego rozmieszczono 16 identycznych płytek krzemowych. Koło wykonywało pełen obrót w czasie 10 minut, dzięki czemu każda z płytek mijała masę testową w regularnych odstępach, generując powtarzalny 16-krotny impuls siły na każdy cykl obrotowy. 

Całą aparaturę zamknięto w komorze próżniowej, a ruchome masy oddzielono od wagi cienką, napyloną złotem membraną krzemową, co wyeliminowało pasożytnicze zakłócenia elektrostatyczne. Zamiast pozwalać ramieniu na swobodne wychylenia, badacze wdrożyli precyzyjny elektroniczny układ sprzężenia zwrotnego, który utrzymywał wagę w niemal całkowitym bezruchu i mierzył siłę elektromagnetyczną niezbędną do skompensowania momentu grawitacyjnego.

W punkcie największego zbliżenia zarejestrowany impuls grawitacyjny wyniósł zaledwie 471 atonewtonów (0,000000000000000471 N), co odpowiada oddziaływaniu około 20 miliardów razy słabszemu niż siła grawitacji przyciągająca pojedyncze, jednomiligramowe ziarnko piasku do powierzchni Ziemi.

Wynik ten stanowi najlżejszy i najbardziej czuły pomiar przyciągania grawitacyjnego między dwiema odrębnymi masami w historii metrologii laboratoryjnej. Choć reżim ten wciąż należy do domeny fizyki klasycznej, Yang i jego współpracownicy podkreślają, że sukcesywne zmniejszanie badanych mas w połączeniu z tłumieniem dekoherencji środowiskowej stanowi kluczowy krok ku przyszłym eksperymentom, w których grawitacja zostanie poddana testom bezpośrednio w układach ze splątaniem kwantowym.

Napisane przez

Monika Wojciechowska

Redaktor
Najbliższe są mi tematy związane z technologią, gadżetami, nowoczesnym AGD i motoryzacją. Interesują mnie rozwiązania, które nie tylko dobrze wyglądają na papierze, ale przede wszystkim realnie wpływają na komfort, wygodę i sposób, w jaki korzystamy z technologii na co dzień. Ukończyłam studia dziennikarskie oraz szkolenia z zakresu sztucznej inteligencji. Prywatnie uwielbiam gry i muzykę.