В 20 миллиардов раз слабее притяжения песчинки: физики установили новый рекорд

Учёным впервые удалось измерить гравитационное притяжение между двумя объектами массой всего 7,6 миллиграмма каждый. Возникающая между ними сила настолько мала, что примерно в 20 миллиардов раз уступает силе, с которой Земля притягивает песчинку массой один миллиграмм. Тем не менее исследователи смогли обнаружить это взаимодействие и проверить, подчиняется ли оно привычным законам физики.

Гравитация действует между любыми объектами, обладающими массой. Земля притягивает Луну, Солнце удерживает планеты, а два лежащих рядом небольших предмета тоже притягиваются друг к другу. Просто в последнем случае сила настолько ничтожна, что заметить её практически невозможно.

Однако именно такие слабые взаимодействия особенно интересуют физиков. Дело в том, что современная наука описывает устройство Вселенной с помощью двух фундаментальных теорий. Общая теория относительности Эйнштейна объясняет гравитацию как искривление пространства и времени, а квантовая механика описывает поведение материи и энергии на микроскопическом уровне.

Обе теории прекрасно работают в своих областях, но объединить их в единую картину пока не удаётся. В частности, учёные до сих пор не знают, как именно ведёт себя гравитация в условиях, когда существенную роль играют квантовые эффекты. Один из возможных путей к ответу — научиться измерять гравитационное притяжение между всё более маленькими объектами.

В новом исследовании физики под руководством Шаньцина Яна из Университета Сунь Ятсена в Китае усовершенствовали эксперимент, известный ещё с XVIII века. Тогда английский учёный Генри Кавендиш использовал крутильные весы, чтобы измерить чрезвычайно слабое притяжение между свинцовыми грузами.

Принцип работы таких весов довольно прост. На тонкой нити подвешивают горизонтальный стержень с грузами. Если рядом разместить другие массивные предметы, их гравитационное притяжение заставит стержень немного повернуться, закручивая нить. По величине этого поворота можно определить действующую силу.

В 2021 году с помощью подобного устройства физикам удалось измерить гравитационное притяжение между двумя золотыми шариками массой около 92 миллиграммов каждый. Теперь китайские исследователи уменьшили массу взаимодействующих объектов более чем в 12 раз.

Для этого они изготовили миниатюрные крутильные весы с кремниевой пластинкой массой 7,6 миллиграмма на одном конце стержня и противовесом на другом. Но вместо того, чтобы просто разместить рядом второй груз, учёные использовали вращающееся колесо с 16 такими же кремниевыми пластинками.

Колесо совершало один оборот за десять минут. При вращении каждая из 16 пластинок по очереди приближалась к пластинке на весах и слегка притягивала её. Благодаря этому возникал повторяющийся гравитационный сигнал, который было легче отличить от случайных помех.

Чтобы повысить точность измерений, установку поместили в вакуумную камеру, а между вращающимися пластинками и весами установили тонкую кремниевую мембрану с золотым покрытием. Она помогала уменьшить влияние электростатических сил, которые могли бы исказить результаты.

Кроме того, исследователи не позволяли весам свободно поворачиваться. Специальная электронная система удерживала стержень практически неподвижным, компенсируя возникающее притяжение. По величине необходимого для этого воздействия физики определяли действующую гравитационную силу.

Результаты совпали с предсказаниями закона всемирного тяготения Ньютона. При наименьшем расстоянии между пластинками сила их взаимного притяжения оценивалась всего в 471 аттоньютон, или 0,000000000000000471 ньютона.

Из полученных данных учёные также рассчитали гравитационную постоянную — величину, определяющую силу притяжения между телами в законе Ньютона. Результат оказался согласующимся с международно рекомендованным значением при неопределённости измерения 5,3%.

Таким образом, даже при столь малых массах исследователи не обнаружили отклонений от классического закона гравитации. Однако главная ценность эксперимента заключается не столько в очередной проверке Ньютона, сколько в возможности измерять взаимодействия, которые ещё недавно были практически недоступны для наблюдения.

До непосредственного изучения квантовой природы гравитации пока далеко. Для этого физикам предстоит научиться исследовать притяжение между объектами, находящимися в квантовых состояниях. Задача осложняется тем, что чрезвычайно слабый гравитационный сигнал необходимо отделять от посторонних воздействий, одновременно сохраняя хрупкие квантовые состояния исследуемых систем.

Сейчас для этого разрабатывают разные подходы: от всё более чувствительных крутильных весов до устройств, способных удерживать крошечные объекты с помощью света или магнитных полей. Авторы исследования считают, что дальнейшее развитие этих технологий может позволить в обозримом будущем непосредственно наблюдать гравитационное взаимодействие между объектами в квантовых состояниях.

Результаты работы опубликованы в научном журнале Nature Communications.