Представьте, как вы наблюдаете диковинный предмет, который не подчиняется обычным законам физики.
Он невесомо парит в воздухе и будто одновременно подчиняется силе тяготения и в то же время абсолютно свободен от гравитации. Завораживающая идея, не правда ли?
Но кажется совершенно неправдоподобной. Но не спешите обвинять автора, будто он морочит вам голову.
Физики с недавних пор вплотную подошли к возможности изучения гравитации в таком экзотическом режиме - и все это благодаря левитирующим микрочастицам.
ГРАВИТАЦИЯ ПОД МИКРОСКОПОМ
Гравитация - сила тяготения - окружает нас повсюду. Мы привыкли считать ее фундаментальной основой существования.
Суть явлений именно в том, что тяготение удерживает нас на поверхности Земли, управляет движением планет и галактик. А гравитация работает на уровне крупных тел. В макромире.
Общая теория относительности Эйнштейна, кстати, построена на понимании всемирного тяготения между крупнейшими структурами во всей Вселенной.
Но что происходит с предельно малыми микротелами материи?
Как известно, к их взаимодействию апеллирует квантовая механика. Но измерение гравитации очень маленьких микроскопических тел еще со времен Эйнштейна остается как бы “за бортом”.
По понятным причинам. Ведь наблюдать микромир и манипулировать с его частицами - весьма затруднительно.
Как выглядит тяготение между невидимыми глазу частицами, возможно ли вообще его как-то измерить - оставалось неразрешимым вопросом в науке.
Просто не существовало такой лабораторной техники, которая сумела бы зафиксировать квантовую гравитацию, точно ее измерить и исключить “помехи” от влияния крупных тел.
Но шаги, неуклонно продвигающие физиков в этом направлении, делались и делаются постоянно.
Например, в 2021 году ученые измерили силу гравитационного притяжения золотого шарика массой 90 миллиграммов. Это размеры и вес, аналогичные размерам и весу божьей коровки.
Результаты опубликованы в журнале Nature. И до недавнего времени это была самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная экспериментально в лаборатории.
Теперь квантовую гравитацию “поймали” на уровне субмиллиметровых частиц!
КАК ИЗМЕРИЛИ ГРАВИТАЦИЮ НА МИКРОСКОПИЧЕСКОМ УРОВНЕ
Мы чувствуем гравитацию на каждом шагу, потому что притягиваемся крупным телом - Землей. Да и сами не слишком мелкие тела.
Но как только мы “погружаемся” в мир микроскопических объектов, гравитация начинает вести себя иначе.
Этот феномен уже давно вызывает вопросы у физиков. Проблема в том, что гравитация, в отличие от других фундаментальных сил, чрезвычайно слаба на малых масштабах. И вот тут на сцену выходят эксперименты с левитирующими микрочастицами.
Международная команда физиков из Великобритании, Нидерландов и Италии под руководством Хендрика Ульбрихта (Hendrik Ulbricht) из Саутгемптонского университета (Великобритания) разработала устройство, позволяющее измерить гравитационное притяжение в небольших масштабах.
Ученые создали установку, где микрочастица массой 0,43 миллиграмма, левитирует в системе сверхпроводящих магнитов при температуре около абсолютного нуля - в минус 273 градуса по Цельсию.
Конечно, в квантовом мире это все еще крупная частица, но согласитесь - она все же в 209,3 раза меньше, чем “божья коровка”!
Если честно, такую мелкую “пылинку” даже представить затруднительно.
Так вот, ученые измерили притяжение между этой частицей и массивным (по отношению к ней) объектом, вес которого около килограмма. Задача была измерить, как крупное тело воздействует своим гравитационным полем на микрочастицу с расстояния всего полметра.
Это, между прочим, как если бы вы пытались заметить воздействие горы на крошечную песчинку.
Но ученые сумели. Заметили. Исследование показало - даже такие микрообъекты демонстрируют силу тяготения. Правда, и все полученные в ходе изменения цифры тоже ультрамалые.
Под действием гравитации крупного тела частица смещалась на нанометры, а сила, действующая на частицу, составила всего 30 аттоньютонов (30 aN).
Это запредельно малая величина, которая почти недоступна осознанию: аттоньютон - всего лишь одна миллиардная от одной миллиардной доли ньютона.
Уф! Даже сравнить не с чем, чтобы понять - как это.
Однако на сегодняшний день найдена самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная в экспериментах.
Результаты опубликованы в журнале Science Advances в феврале 2024.
ЛЕВИТАЦИЯ - НОВЫЙ ПОДХОД К СТАРЫМ ВОПРОСАМ
Почему ученые выбрали именно левитацию?
Дело в том, что левитирующие объекты возможно изолировать, “отключить” от большинства внешних воздействий, в том числе от притяжения Земли. А это особенно важно для точных измерений квантовой гравитации.
Традиционные методы измерения гравитации сталкиваются с множеством сложностей в квантовом мире: вибрации и “шумы”, которые искажают результаты. А вот левитация позволяет свести к минимуму влияние этих факторов.
Использование “магнитных ловушек” из сверхпроводящих материалов в эксперименте свело на нет влияние источников “шума”.
Когда частица “парит” в таком магнитном поле - она оказывается в состоянии практически идеальной изоляции. А это позволяет произвести точные измерения с очень малыми погрешностями.
ЗАЧЕМ ВООБЩЕ НУЖНО ДЕЛАТЬ ТАКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Один из самых интересных аспектов исследования - возможность тестирования теории квантовой гравитации. Той области знания, которое пытается объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой.
Эти две теории великолепно работают на разных масштабах. Но вот парадокс: классическая физика неприменима к квантовым масштабам, а квантовая механика не работает на масштабах классической физики.
Но ведь Вселенная-то функционирует как единое целое! В этом и есть причина, почему ученые ищут способы “примирить” общую теорию относительности и квантовую механику.
Тим М. Фукс, один из авторов работы, отмечает:
“Эти эксперименты открывают новый путь к изучению квантовой гравитации и позволяют нам лучше понять взаимодействие квантовой механики и общей теории относительности”
Но что это меняет в понимании устройства мироздания?
Благодаря подобным экспериментам ученые смогут наконец-то заглянуть за пределы известных законов физики.
Как только они добьются стабильных результатов на квантовом уровне, откроются новые возможности в изучении Вселенной. Вполне вероятно, подтвердится существование “пятой силы”. Или будут раскрыты тайны темной материи и энергии.
Не исключено, что будущие технологии смогут эти знания использовать для создания новых видов энергии. А может даже для управления гравитацией на уровне, который все еще кажется фантастическим.
Как думаете, возможно такое? Делитесь мнением в комментариях.
И не забудьте подписаться на канал - наши читатели узнаю́т больше, когда вникают в Суть явлений
