Навсякъде където погледнете, можете да видите отпечатъка на гравитацията. Той е в пътя, който Луната изминава около Земята всяка нощ, и в неприятния удар, когато паднете на заледен участък от тротоара. Силата на гравитацията управлява ежедневието ни и дори може да ни помогне да открием сблъсъка на черни дупки на милиарди светлинни години. И все пак, въпреки че гравитацията е незаменима в човешки мащаб и в Космоса, тя е едва забележима, когато оценявате света на квантово ниво.
В продължение на десетилетия учените мечтаят да намерят начин да съчетаят ефектите на гравитацията както в класически, така и в квантов мащаб чрез сложни идеи като теорията на струните или контурната квантова гравитация. Единната теория на гравитацията би могла да бъде ключът към решаването и на други големи въпроси във Вселената - например как е започнал Големият взрив или какво представлява тъмната материя. И все пак, макар двете идеи да имат своите теоретични достойнства, реалната възможност за откриване на малките ефекти на гравитацията на квантово ниво е съвсем друг въпрос.
Именно тук се намесва ново изследване, публикувано по-рано тази година в Science Advances. В този труд изследователска група от Великобритания, Нидерландия и Италия е разработила експеримент, който е толкова чувствителен, че може да измери гравитационна сила, равна на една квинтилионна част от Нютон (по скалата на 1 аттоНютон), върху частица с тегло само 0.43 милиграма. За справка гравитационната сила от един Нютон е приблизително еквивалентна на силата на гравитацията, която натиска надолу ябълка, поставена на маса.
Д-р Терк Остеркамп е старши автор на статията и професор по теоретична физика в Лайденския университет в Нидерландия. Той казва, че въпреки че гравитационната сила, която екипът му е измерил, е била върху много малка частица - всъщност най-малката частица, върху която досега е измерена такава сила, - той подчертава, че това измерване все още е "на милиони километри" от доказването на квантовата гравитация.
Възможността да се измерят тези ефекти може да бъде важна първа стъпка към по-ясно разбиране на квантовата гравитация - което може да разкрие тайни за самия произход на Вселената.
Можете да мислите за гравитационните ефекти като за звукова вълна. За да се открие по-тих шум, звукозаписващото устройство трябва да е по-чувствително и да филтрира фоновия шум. По същия начин колкото по-малък е един обект, толкова "по-тиха" е неговата гравитационна сила.
За да "чуят" гравитационната сила на своята 0.43-милиграмова частица, Остеркамп и колегите му е трябвало да разработят експеримент, който да слуша много внимателно, като същевременно филтрира негравитационните вибрации, като случайното движение на бръмчащи и сблъскващи се частици, което създава топлинна енергия. Колкото по-хладен е експериментът, толкова по-малко са бездомните вибрации, които трябва да се отстранят.
За да направи това, екипът разчита на комбинация от инструменти за увеличаване на чувствителността, включително: хладилник за разреждане (подобен на вида, използван за охлаждане на квантови компютри), за да се минимизира топлинната енергия, система с пружинна маса за абсорбиране на вибрациите на околната среда и свръхпроводящ „капан“, за да левитира малката частица, за да я изолира от всякакви задържащи се вибрации. Втора маса от 2.4 килограма източник беше поставена наблизо, за да създаде гравитационна сила за левитиращата частица; в такъв експеримент са необходими два обекта с маса, така че гравитационната сила на единия източник да може да действа върху другия, подобно на Земята и Луната.
Изграждането на това устройство за работа при такива изключително студени условия - много близки до абсолютната нула, или -273.15 градуса по Целзий - е това, което отличава този резултат. Това е и причината, поради която той смяташе, че експериментът може никога да не се проведе.
Най-интересната част е как учените успяват да намалят температурата толкова ниска и да поддържат толкова изключително ниски шумове от ускорение. Бъдещите детектори за гравитационни вълни, работещи при студени условия, ще трябва да се основават на тази работа. Възможността да работят при толкова ниска температура би елиминирала почти всички източници на термодинамичен шум, с които учените се борят.
И докато работата на Остеркамп все още може да не проправя ясен път към измерването на квантовата гравитация, това вероятно е едно от многото парчета пъзел, които ще отключат това променящо света научно откритие.
„Този експеримент е чудесен пример за това как експерименталната изобретателност може да доведе до извършване на измервания на Вселената по нов начин“, казва Остеркамп. „Пътят към квантовата гравитация ще бъде осеян с експерименти с все по-голяма чувствителност.“
