Fizycy z Uniwersytetów w Southampton i Lejdzie wykorzystali nowatorską technikę, która pozwoliła im na precyzyjny pomiar przyciągania grawitacyjnego dla obiektu o masie poniżej milionowej części kilograma. Jak twierdzą, rezultaty tego typu eksperymentów mogą w przyszłości okazać się niezwykle przydatne dla poszukiwaczy wciąż nieuchwytnej kwantowej teorii grawitacji.
Grupa kierowana przez Tima Fuchsa opracowała metodę pośredniego wykrywania efektów grawitacyjnych z wykorzystaniem lewitujących magnesów. Rdzeniem układu jest wykonana z tantalu i schłodzona do 100 milikelwinów pułapka nadprzewodząca. W jej wnętrzu umieszczono dwa obiekty: odważniki stanowiące “masę źródłową” 2,4 kg oraz “cząstkę testową”, złożoną z zestawu trzech mikroskopijnych magnesików o rozmiarze ćwierć milimetra.
Aparaturę zawieszono w wielopoziomowym systemie amortyzatorów, tłumiącym wszelkie drgania mogące zanieczyścić dane. Całość zamknięto w potężnym, ekranowanym kriostacie.
Tak skonstruowany, misterny układ pozwolił fizykom zarejestrować, że między masą źródłową 2,4 kg i lewitującą masą testową 0,43 miligrama wystąpiło sprzężenie wynoszące 30 aN. Poruszamy się zatem w niewiarygodnie małej skali, gdzie jeden attoniuton stanowi trylionową (10−18) część niutona. Dla zobrazowania uzyskanej precyzji: 1 niuton to siła, z jaką Kula Ziemska ściąga ku sobie ciało o masie nieco ponad 100 gramów.
To rekord, jeżeli chodzi o pomiar wzajemnego przyciągania grawitacyjnego pomiędzy tak drobnymi masami. Przebito tym samym osiągnięcie zespołu Tobiasa Westphala. Austriacy korzystając z odmiennej metody w 2021 roku zmierzyli sprzężenie pomiędzy dwiema złotymi kulkami o masach 90 miligramów.
Badanie sprowokowało wysyp portalowych nagłówków stwierdzających, że wykonano poważny krok ku długo wyczekiwanej kwantowej teorii grawitacji. To oczywista przesada, niemniej według autorów eksperymentu, ich metoda posiada potencjał, który w przyszłości rzeczywiście pozwoli uzyskiwać dane wartościowe z punktu widzenia teoretyków. Tim Fuchs już zapowiedział, że jego zespół będzie dążył do sukcesywnego “zmniejszania masy źródłowej za pomocą tej techniki, aż w końcu dotrą do świata kwantowego”. Jak dodaje: “Rozumiejąc grawitację kwantową, moglibyśmy rozwiązać niektóre tajemnice naszego wszechświata, na przykład jego początek, co dzieje się wewnątrz czarnych dziur, czy unifikację wszystkich oddziaływań w jednej wielkiej teorii”.
Nie jest żadną tajemnicą, że stosunki między mechaniką kwantową i ogólną teorią względności – najdokładniej opisującą działanie grawitacji – pozostają dość skomplikowane. O ile całkiem nieźle rozumiemy, jak w kontekście cząstek elementarnych zachowuje się elektromagnetyzm oraz oddziaływania jądrowe, o tyle relacja fizyki kwantowej z geometrią czasoprzestrzeni to nierozwiązana zagadka.
Osobiście widzę w prezentowanej technice również potencjał do zweryfikowania kilku innych koncepcji. Chociażby postulowanej przez Rogera Penrose’a teorii obiektywnego kolapsu, wiążącej redukcję kwantowej superpozycji właśnie z zaburzeniami geometrii czasoprzestrzeni.
Szczegóły techniczne poznacie czytając publikację Measuring gravity with milligram levitated masses na łamach Science Advances. Można też zerknąć na opracowanie zamieszczone na stronie University of Southampton, choć jest ono mocno ogólnikowe.
