Как измерить гравитацию на квантовом уровне: новый эксперимент, который может решить величайшую загадку физики
Гравитация — одна из самых фундаментальных и загадочных сил природы. Она управляет движением планет, звезд и галактик, а также формирует пространство и время. Однако, несмотря на то, что гравитация была открыта еще в XVII веке английским физиком и математиком Исааком Ньютоном, мы до сих пор не знаем, как она работает на самом маленьком уровне — в мире квантов.
Квантовая механика — это наука, которая изучает поведение атомов, электронов и других элементарных частиц. Она показывает, что в квантовом мире действуют совершенно другие законы, чем в мире больших объектов. Квантовые частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно, перепрыгивать из одного места в другое без промежуточных этапов, взаимодействовать на расстоянии и даже переплетаться друг с другом, образуя единое целое.
Эти странные явления противоречат нашему здравому смыслу и классической физике, включая теорию гравитации Ньютона. Поэтому ученые долго пытались найти способ объединить гравитацию и квантовую механику в единую теорию, которая бы объясняла все процессы в природе. Однако, такая теория квантовой гравитации до сих пор не найдена, и является одной из самых больших проблем современной физики.
Одна из причин, по которой квантовая гравитация так трудно достижима, заключается в том, что мы не можем наблюдать ее эффекты в обычных условиях. Гравитация — это очень слабая сила по сравнению с другими квантовыми силами, такими как электромагнитная, сильная и слабая. Поэтому, чтобы увидеть гравитацию на квантовом уровне, нам нужно иметь дело с очень маленькими объектами, имеющими очень большую массу и плотность, такими как черные дыры или ранняя вселенная.
Но как провести эксперимент с такими экстремальными объектами? Даже великий физик XX века Альберт Эйнштейн, который разработал теорию общей относительности, описывающую гравитацию в кривом пространстве-времени, считал, что такой эксперимент невозможен. Он писал: «Нет реалистичного эксперимента, который мог бы продемонстрировать квантовую версию гравитации».
Однако, недавно группа физиков из Университета Саутгемптона, совместно с коллегами из Нидерландов и Италии, сделала значительный прорыв в этом направлении. Они смогли измерить гравитационное притяжение на крошечной частице, используя новую технику, основанную на левитации магнитов. Этот эксперимент, опубликованный в журнале Science Advances, открывает новые возможности для изучения квантовой гравитации в лабораторных условиях.
Суть эксперимента заключалась в следующем: ученые использовали сверхпроводящие устройства, называемые ловушками, которые создавали магнитные поля, поднимающие частицу в воздухе. Частица имела массу 0,43 мг и размер около 0,1 мм, что разумеется всё еще очень много для приближения к квантовой области. Чтобы избежать влияния других сил, таких как электрические или тепловые, ученые охладили частицу до температуры сотой доли градуса выше абсолютного нуля — около -273 градусов Цельсия. Также они использовали чувствительные детекторы и продвинутую изоляцию от вибрации, чтобы не потерять сигнал.
Затем ученые поместили рядом с частицей другой объект, имеющий большую массу — около 100 г. Этот объект создавал слабое гравитационное поле, которое воздействовало на частицу. Ученые смогли измерить это воздействие, обнаружив, что частица смещалась на нанометры под действием гравитации. Сила притяжения составила всего 30 аН (аттоньютонов), что эквивалентно весу одной бактерии. Это было самое маленькое измерение гравитации, когда-либо сделанное.
Ведущий автор исследования Тим Фукс из Университета Саутгемптона сказал, что этот результат может помочь ученым найти недостающую часть головоломки в нашем представлении о реальности. Он добавил: «В течение столетия ученые пытались и не могли понять, как гравитация и квантовая механика работают вместе. Теперь мы успешно измерили гравитационные сигналы на самой маленькой массе, когда-либо записанной, это означает, что мы на шаг ближе к тому, чтобы наконец понять, как они работают согласованно. Отсюда мы начнем уменьшать источник с помощью этой техники, пока не достигнем квантового мира с обеих сторон. Понимая квантовую гравитацию, мы могли бы решить некоторые загадки нашей вселенной — например, как она началась, что происходит внутри черных дыр или объединение всех сил в одну большую теорию».
Профессор физики Хендрик Ульбрихт, также из Университета Саутгемптона, сказал, что этот эксперимент расширяет границы науки, которые могут привести к новым открытиям о гравитации и квантовом мире. Он добавил: «Наша новая техника, которая использует чрезвычайно низкие температуры и устройства для изоляции вибрации частицы, вероятно, станет путем вперед для измерения квантовой гравитации. Разгадывая эти тайны, мы поможем раскрыть больше секретов о самой ткани вселенной, от самых маленьких частиц до самых величественных космических структур».
Этот эксперимент является важным шагом к пониманию квантовой гравитации, но он еще не дает окончательного ответа на эту загадку. Ученые признают, что им еще предстоит уменьшить размеры объектов и частиц, а также повысить точность измерений, чтобы достичь квантового режима. Также они должны учитывать возможные погрешности, связанные с другими факторами, такими как температура, электричество, магнетизм
Квантовая гравитация — это одна из самых сложных и захватывающих проблем современной науки. Она касается самых основных вопросов о происхождении, структуре и судьбе нашей вселенной. Она также может открыть новые горизонты для технологического прогресса и практического применения. Например, квантовая гравитация может помочь создать новые источники энергии, основанные на контроле гравитации, или новые способы связи, основанные на квантовой запутанности. Квантовая гравитация может также помочь нам понять, что происходит за пределами нашей вселенной, и есть ли другие параллельные или многомерные реальности.
Мы живем в удивительное время, когда наука делает все больше и больше открытий, которые меняют наше видение мира. Квантовая гравитация — это одно из таких открытий, которое может изменить наше понимание вселенной. Мы надеемся, что в ближайшем будущем ученые смогут найти ту теорию, которая объяснит все явления в природе, и которую можно будет проверить экспериментально. Это будет величайшим достижением человечества.