Jak zmierzyć pole grawitacyjne obiektu kwantowego?

Pod koniec XVIII wieku brytyjski naukowiec Henry Cavendish po raz pierwszy zmierzył w laboratorium siłę grawitacji między dwoma obiektami. Przedmiotami były ołowiane kule, jedna wielkości arbuza, druga wielkości piłki baseballowej. Odkrył, że siła między nimi jest niewielka — mniej więcej wagi ziarnka piasku.

Od tego czasu eksperymenty stały się dokładniejsze, ale nadal obejmują stosunkowo duże obiekty — najmniejsze pole grawitacyjne, jakie kiedykolwiek zmierzono, znajdowało się między dwoma cylindrami o wadze 90 gramów. Ale pola pomiędzy mniejszymi masami są tak małe, że nikt nie wymyślił sposobu ich pomiaru.

Wygląda na to, że zmieni się to dzięki pracy Jonasa Schmole'a i kolegów z Uniwersytetu Wiedeńskiego w Austrii. Wymyślili sposób na pomiar przyciągania grawitacyjnego obiektów w skali milimetrowej, które są o trzy rzędy wielkości mniej masywne niż cokolwiek zmierzonego wcześniej.

Taki eksperyment umożliwiłby naukowcom badanie grawitacji w skali, która nigdy wcześniej nie była możliwa, i otwiera drzwi do nowej ery eksperymentów, które po raz pierwszy badają związek między grawitacją a mechaniką kwantową.

Nowa metoda pomiaru sił grawitacyjnych jest w zasadzie prosta. W swoim sercu wykorzystuje sposób, w jaki małe przedmioty rezonują, gdy są wielokrotnie szturchane. Jednym ze sposobów na to jest wyrzeźbienie maleńkich odskoczni z krzemu, tak aby elektronika niezbędna do ich monitorowania mogła być wbudowana w pojedynczy chip. Te tak zwane urządzenia mikroelektromechaniczne stały się powszechne w ostatnich latach — są to na przykład technologia stojąca za poduszkami powietrznymi i akcelerometrami w smartfonach.

Teraz Schmole i spółka chcą wykorzystać je do pomiaru sił grawitacyjnych. Ich pomysłem jest zrobienie trampoliny i umieszczenie na jej końcu kuli w skali miligramowej. Jest to masa testowa, której ruch pod wpływem siły grawitacji mają nadzieję zmierzyć.

W tym samym czasie umieszczają inną podobną kulę na końcu pręta, który można zazębiać w tę i z powrotem jak tłok. Jest to masa źródłowa, która generuje poruszające się pole grawitacyjne.

Gdy te dwie kule zostaną umieszczone blisko siebie, powstałe pole grawitacyjne powinno wytworzyć między nimi siłę przyciągania. To powinno pociągnąć masę testową na trampolinie w kierunku masy źródłowej. W miarę oddalania się masy źródłowej przyciąganie opadnie, pozwalając masie testowej opaść.

To powoduje, że trampolina wibruje. A jeśli ruch masy źródła odpowiada określonej częstotliwości krytycznej, odskocznia wpadnie w rezonans, a ruch ten można zmierzyć, odbijając laser od odskoczni.

Dostosowanie sposobu, w jaki masa źródła porusza się tam iz powrotem, pozwoli Schmole i spółce zbadać sposób, w jaki zachodzi rezonans i zmierzyć siłę, która go wywołuje — przyciąganie grawitacyjne między dwoma ciałami.

I to wszystko — prosty sposób pomiaru siły grawitacji między dwoma obiektami o wielkości miligrama, który jest obecnie możliwy dzięki najnowocześniejszym urządzeniom MEM.

Oczywiście w eksperymencie jest kilka ważnych subtelności. Na przykład masa testowa i masa źródła muszą być odizolowane, aby ruch jednego nie wpływał na drugi, z wyjątkiem przyciągania grawitacyjnego. To poważne wyzwanie. Innym jest odizolowanie całego urządzenia od zewnętrznych wibracji, które mogą zagłuszać interesujący sygnał.

Ale Schmole i spółka twierdzą, że są one wykonalne i że eksperyment jest wybitnie wykonalny. Obecny stan techniki powinien umożliwiać demonstrację koncepcji dla obiektów w skali milimetrów i dziesiątek miligramów, co już teraz poprawia obecny limit wykrywania pola grawitacyjnego małej masy źródła o trzy rzędy wielkości, Mówią.

To interesująca praca i to nie tylko ze względu na związane z nią eksperymentalne wyzwania. Obiekty w skali milimetrowej są zbliżone do skali, w której można zaobserwować dziwne prawa mechaniki kwantowej. Prowadzi to do dziwacznego zjawiska, takiego jak pojedynczy obiekt znajdujący się w dwóch miejscach jednocześnie.

Ekscytującą możliwością, o której wspominają Schmole i jej współpracownicy, jest możliwość pomiaru siły grawitacji związanej z obiektami kwantowymi. Jak zamanifestuje się siła grawitacji, gdy zostanie powiązana z obiektem, który istnieje w dwóch miejscach jednocześnie?

To pytanie, na które wielu fizyków oddałoby swoje prawe ramiona, aby poznać odpowiedź. Nie muszą długo czekać!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1602.07539 : Mikromechaniczny eksperyment sprawdzający zasadę pomiaru siły grawitacyjnej mas miligramowych

ukryć