Группе исследователей впервые удалось измерить гравитацию на микроскопическом уровне с помощью устройства на основе сверхпроводников, в которых были индуцированы магнитные поля. Хотя явление гравитации можно наблюдать и оценивать для многих обычных и космических объектов, до сих пор оно никогда не измерялось на уровне частиц. Этот прорыв потенциально может привести к созданию неуловимой теории квантовой гравитации, раскрывающей многие тайны на космическом и субатомном уровнях.
Гравитация, согласно теории относительности Эйнштейна, была многократно подтверждена лабораторными экспериментами и наблюдениями за массивными космическими объектами, такими как черные дыры. Однако она никогда не измерялась на уровне объектов размером с частицу, не превышающую планковскую массу (максимальная масса для частицы, т.е. около 22 микрограммов).
Измерения гравитации из обычных источников не позволяют изучать квантовые состояния. Это связано с тем, что частицы и силы в микроскопическом масштабе взаимодействуют иначе, чем более крупные объекты. Это означает, что квантовая когерентность (способность системы существовать одновременно в нескольких состояниях) уменьшается с увеличением размера системы.
В результате даже если три из четырех фундаментальных сил Вселенной (электромагнетизм, сильные ядерные силы и слабые ядерные силы) имеют свою квантовую версию, до сих пор не существует теории для четвертой силы — гравитации. Сам Эйнштейн заявлял, что не существует реалистичных экспериментов по измерению квантовой версии гравитации. «На протяжении столетия ученые безуспешно пытались понять, как гравитация и квантовая механика работают вместе«, — объясняет Тим М. Фукс в пресс-релизе Саутгемптонского университета (Англия).
Вместе с коллегами из Лейденского университета (Нидерланды) и Института фотоники и нанотехнологий Фонда Бруно Кесслера (Италия) Фукс предлагает новый подход, который может привести к созданию такой теории. «Важно изолировать гравитацию как силу связи для объектов как можно меньшего размера, что означает чрезвычайно точное измерение гравитационных сил и взаимодействий«, — предлагает исследовательская группа в своем новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances.
Эксперименты на основе магнитно-левитирующей системы
Недавно устройства, основанные на системах механической левитации, позволили проводить сверхчувствительные измерения очень слабых сил. Поэтому их можно использовать для оценки квантовых сил в микроскопических масштабах массы. Однако эти технологии относительно ограничены, когда речь идет об оценке микроскопических квантовых состояний. В системах оптической левитации, например, нагрев лазеров-ловушек является наиболее важным источником шума, который может значительно нарушить квантовую когерентность.
Чтобы преодолеть эти трудности и правильно выделить гравитацию в качестве силы связи для микроскопических объектов, исследователи в новом исследовании выбрали систему магнитной левитации (позволяющую левитировать объект с помощью магнитного поля). Чрезвычайно низкое затухание системы такого типа, в сочетании с относительно большой массой и работой в малошумной криогенной среде, делает ее особенно хорошо подходящей для квантовой механики. Другими словами, квантовая декогеренция в значительной степени ослабляется при использовании магнитной левитации.
Устройство команды Фукса состоит из комбинации сверхпроводников, приводимых в движение магнитными полями (улавливающих частицы), сверхчувствительных детекторов и усовершенствованной системы изоляции, состоящей из многоступенчатых пружин и криогенной системы. «Наша новая методика, которая включает в себя чрезвычайно низкие температуры и устройства для изоляции колебаний частиц, возможно, станет путем вперед для измерения квантовой гравитации«, — объясняет эксперт.
Схема экспериментальной установки для исследования. (A) Многоступенчатая система массовых пружин для изоляции внешних вибраций. (B) Система обнаружения. (C) Изображение холодильника для разбавления, используемого для экспериментов, включая многоступенчатую систему массовых пружин. (D) Магнитная частица, состоящая из трех магнитов, прикрепленных друг к другу. (E) Ловушка, помещенная в алюминиевый держатель без защитного цилиндра. © Тим М. Фукс и др.
В ходе эксперимента субмиллиметровая частица левитировала при температуре -273 °C (на несколько сотых градуса выше абсолютного нуля) — гипотетической температуре, при которой прекращается всякое движение атомов. Как объясняет Фукс, эта температура позволяет ограничить колебания частиц, чтобы можно было точно измерить гравитацию. Результаты показали, что частица весом 0,43 миллиграмма может создавать гравитационное притяжение в 30 аттоньютонов.
По мнению экспертов, эти результаты могут помочь определить недостающий кусочек головоломки, ведущей к теории квантовой гравитации. Следующим шагом будет воспроизведение эксперимента на все более мелких частицах, пока не будет достигнута квантовая гравитация. «Теперь, когда нам удалось измерить гравитационные сигналы при самой маленькой из когда-либо зарегистрированных масс, это означает, что мы наконец-то на пороге понимания того, как это [две формы гравитации] работает в тандеме», — предполагает Фукс. Он даже предлагает объединить все теории, объясняющие действующие силы, в одну большую теорию, которая, по его мнению, позволит понять самые загадочные явления во Вселенной, включая то, что происходит внутри черных дыр.
