Ученые приблизились к разгадке гравитации в квантовом мире

Гравитация отличается от всех других известных фундаментальных сил, поскольку ее лучше всего описать как искривление пространства-времени. По этой причине она по-прежнему сопротивляется объединению с квантовой теорией.

Гравитационное взаимодействие принципиально слабое и становится заметным только на макроскопических масштабах. Это означает, что мы не знаем, что происходит с гравитацией в микроскопическом режиме, где доминируют квантовые эффекты, и становятся ли очевидными квантово-когерентные эффекты гравитации.

Но теперь ученые стали на шаг ближе к пониманию загадочных сил Вселенной после того, как научились измерять гравитацию на микроскопическом уровне.

Физики успешно обнаружили слабое гравитационное притяжение крошечной частицы, используя новую технику. Они утверждают, что это может проложить путь к открытию неуловимой теории квантовой гравитации.

В новом эксперименте левитирующие магниты использовались для обнаружения гравитации на микроскопических частицах — достаточно маленьких, чтобы граничить с квантовым миром.

Ведущий автор исследования Тим Фукс из Университета Саутгемптона заявил, что результаты могут помочь найти недостающий кусочек головоломки в нашей картине реальности.

«В течение столетия ученые пытались, но не смогли понять, как гравитация и квантовая механика работают вместе. Теперь мы успешно измерили гравитационные сигналы при самой маленькой из когда-либо зарегистрированных масс, это означает, что мы на один шаг ближе к окончательному пониманию того, как это работает в тандеме», — сказал Тим Фукс.

«Отсюда мы начнем уменьшать источник, используя эту технику, пока не достигнем квантового мира. Понимая квантовую гравитацию, мы могли бы разгадать некоторые загадки нашей Вселенной — например, как она возникла, что происходит внутри черных дыр, или объединить все силы в одну большую теорию».

Правила квантовой реальности до сих пор не до конца поняты наукой, но считается, что частицы и силы в микроскопическом масштабе взаимодействуют иначе, чем объекты обычного размера.

Физики из Саутгемптона провели эксперимент совместно с учеными Лейденского университета в Нидерландах и Института фотоники и нанотехнологий в Италии.

Мы показываем гравитационную связь между левитирующей магнитной частицей субмиллиметрового масштаба внутри сверхпроводящей ловушки и килограммовыми источниками массы, расположенными примерно в полуметре от нее. Наши результаты расширяют измерения гравитации до низких гравитационных сил аттоньютона и подчеркивают важность левитирующих механических зондов.

В их исследовании использовалась сложная установка, включающая сверхпроводящие устройства, известные как ловушки, с магнитными полями, чувствительными детекторами и усовершенствованной виброизоляцией.

Она измерила слабое притяжение, всего 30 аН, на крошечную частицу весом 0,43 мг, левитирующую при температуре на сотую долю градуса выше абсолютного нуля — около -273 градусов по Цельсию.

Результаты открывают двери для будущих экспериментов с еще меньшими объектами и силами, сказал профессор физики Хендрик Ульбрихт из Университета Саутгемптона.

«Мы расширяем границы науки, что может привести к новым открытиям о гравитации и квантовом мире. Наша новая методика, использующая чрезвычайно низкие температуры и устройства для изоляции вибрации частиц, вероятно, станет основой для измерения квантовой гравитации».

«Разгадка этих тайн поможет нам раскрыть еще больше секретов самой Вселенной, от мельчайших частиц до величайших космических структур».

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.