Οι επιστήμονες έκαναν τη μικρότερη μέτρηση της βαρύτητας ποτέ σε Quantum Quest

Οι επιστήμονες έχουν σπάσει το ρεκόρ για τις μικρότερες μετρήσεις βαρύτητας χρησιμοποιώντας μια τεχνική που θεωρούν ότι έχει τη δυνατότητα να είναι πολύ μικρότερη. Τόσο μικρό στην πραγματικότητα μπορεί να μας βοηθήσει να προσδιορίσουμε εάν η βαρύτητα είναι κβαντισμένη και αν ναι, πώς συμβιβάζονται η γενική σχετικότητα και η κβαντική μηχανική.

Μια από τις μεγάλες αποκαλύψεις των αρχών του 20ου αιώνα είναι ότι η ενέργεια δεν είναι συνεχής, αλλά υπάρχει σε μικροσκοπικά πακέτα, γνωστά ως κβάντα. Αυτή η ανακάλυψη, εκπληκτική από μόνη της, οδήγησε σε πολυάριθμες συνεχίσεις που απέδειξαν ότι και άλλα πράγματα είχαν κβαντιστεί. Παραμένει, ωστόσο, αβεβαιότητα σχετικά με το πόσο εκτείνεται αυτό: ο χρόνος και η βαρύτητα, για παράδειγμα, υπάρχουν επίσης σε πακέτα τόσο μικρά που δεν μπορέσαμε να τα βρούμε;

Η ύπαρξη της κβαντισμένης βαρύτητας θεωρείται ευρέως ως το κλειδί για την επίλυση της φαινομενικής ασυμβατότητας μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας, η καλύτερη θεωρία μας για την αναπαράσταση της βαρύτητας. Ωστόσο, δεκαετίες αναζητήσεων απέτυχαν να βρουν στοιχεία για αυτήν την κβαντοποίηση ή να εξηγήσουν θεωρητικά πώς θα λειτουργούσε σε ένα πρότυπο που θεωρείται γενικά αποδεκτό. Νέα πειράματα μας φέρνουν πιο κοντά σε αυτόν τον στόχο.

Προηγουμένως στο Πανεπιστήμιο του Λέιντεν και τώρα στο Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον, ο Δρ Tim Fuchs ηγήθηκε μιας ομάδας που χρησιμοποίησε έναν αιωρούμενο μαγνήτη για να μετρήσει τις επιπτώσεις της βαρύτητας σε ένα σωματίδιο βάρους 0,43 χιλιοστόγραμμα (0,000015 ουγκιές) όταν ψύχθηκε στους -273,14°C, το ένα δέκατο του ένα βαθμό πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Οι συνθήκες υπερκρύου ελαχιστοποιούν τη δόνηση του σωματιδίου, επιτρέποντας στην ομάδα να μετρήσει μια βαρυτική έλξη μόλις 30 attonewtons (3*10-17 N, ή για να το διευκρινίσουμε για αντίκτυπο 0,00000000000000003 N) σε αυτό. Αυτό είναι ακόμα μεγαλύτερο από το πιθανό μέγεθος των κβαντών βαρύτητας, αν υπάρχουν. Ωστόσο, ο Fuchs υποστηρίζει ότι η ίδια τεχνική μπορεί να γίνει μικρότερη έως ότου ανακαλύψει εάν η βαρύτητα μπορεί να έχει κάποια δύναμη ή περιορίζεται σε διακριτά άλματα. Η προσέγγιση είναι ανάλογη με αυτήν που χρησιμοποίησε ο Robert Millikan για να μετρήσει πρώτα το φορτίο στο ηλεκτρόνιο, δείχνοντας ότι το συνολικό φορτίο σε μια σταγόνα ελαίου είναι πάντα πολλαπλάσιο ενός συγκεκριμένου αριθμού.

Το «σωματίδιο» που χρησιμοποιείται, αν και μικρό, είναι μέσα στη σφαίρα της εμπειρίας μας – είναι η σωστή σειρά για έναν κόκκο άμμου ή ζάχαρης. Η δύναμη είναι πολύ μικρότερη, που παράγεται όχι από το τράβηγμα ολόκληρης της Γης αλλά από τούβλα που ζυγίζουν μόλις 1 κιλό (2,2 λίβρες). Ένας τροχός συντόνισε τα βάρη έτσι ώστε η επιρροή τους στο σωματίδιο να μπορεί να μετρηθεί σε διαφορετικές αποστάσεις.

«Επί έναν αιώνα, οι επιστήμονες προσπάθησαν και απέτυχαν να καταλάβουν πώς η βαρύτητα και η κβαντική μηχανική συνεργάζονται», είπε ο Φουξ σε μια δήλωση. «Τώρα έχουμε μετρήσει επιτυχώς τα βαρυτικά σήματα στη μικρότερη μάζα που έχει καταγραφεί ποτέ, σημαίνει ότι είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στο να συνειδητοποιήσουμε επιτέλους πώς λειτουργεί παράλληλα».

«Από εδώ θα αρχίσουμε να μειώνουμε την πηγή χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική μέχρι να φτάσουμε στον κβαντικό κόσμο και στις δύο πλευρές», συνέχισε ο Fuchs. «Κατανοώντας την κβαντική βαρύτητα θα μπορούσαμε να λύσουμε μερικά από τα μυστήρια του σύμπαντός μας – όπως το πώς ξεκίνησε, τι συμβαίνει μέσα στις μαύρες τρύπες και ενώνοντας όλες τις δυνάμεις σε μια μεγάλη θεωρία».

Για να συμβεί αυτό, η κβαντική βαρύτητα πρέπει να είναι πραγματική, κάτι που αμφιβάλλουν ορισμένοι φυσικοί. Εάν το έργο του Φουξ δεν βρει σημάδια κβαντοποίησης σε όλο και μικρότερες δυνάμεις, αυτές οι φωνές θα γίνουν πιο δυνατές.

Αν και η ιδέα φαίνεται απλή, η βαρύτητα είναι πολύ δύσκολο να μετρηθεί σε μικροσκοπικές κλίμακες επειδή είναι τόσο αδύναμη. Μπορεί να μην αισθανόμαστε έτσι, συνθλιμμένοι κάτω από το βάρος ενός πλανήτη που δεν θα μας απελευθερώσει. Στον κόσμο των πολύ μικρών, ωστόσο, η βαρύτητα κατακλύζεται πλήρως από τη δύναμη των άλλων τριών δυνάμεων και τα πειράματα πρέπει να βρουν τρόπους για να το επιτρέψουν αυτό.

Η ομάδα χρειαζόταν προηγμένες υπεραγώγιμες παγίδες, ακριβή μαγνητικά πεδία και ευαίσθητους ανιχνευτές προστατευμένους από κραδασμούς, για να κάνει τη δουλειά. «Υπερβαίνουμε τα όρια της επιστήμης», δήλωσε ο συν-συγγραφέας καθηγητής Hendrik Ulbricht. «Η αποκάλυψη αυτών των μυστηρίων θα μας βοηθήσει να ξεκλειδώσουμε περισσότερα μυστικά για το ίδιο το ύφασμα του σύμπαντος, από τα πιο μικροσκοπικά σωματίδια έως τις μεγαλειώδεις κοσμικές δομές».

Η μελέτη είναι ανοιχτή πρόσβαση στο Science Advances.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *