Физики измерили гравитацию субмиллиграммовой частицы

Физики измерили силу гравитации между магнитной частицей массой 0,48 миллиграмм и набором латунных брусков с массой 2,48 килограмм. Чтобы заставить частицу левитировать в гравитационном поле Земли, ее поместили в сверхпроводящую магнитную ловушку. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Science Advances.

Общая теория относительности Эйнштейна — общепринятая и наиболее полная теория гравитации на сегодняшний день. Она подтверждена многими экспериментами, а наиболее ярким подтверждением последних лет стала регистрация гравитационных волн, за что в 2017 году была вручена Нобелевская премия по физике. Тем не менее теория гравитации Эйнштейна имеет границы применимости. Например, оказалось, что при попытке проквантовать гравитационное поле возникают неустранимые расходимости в высоких энергиях как следствие ее неперенормируемости. Это препятствует объединению этой теории с квантовой механикой, поэтому ученые работают над альтернативными теориями гравитации. Дело осложняется крайне высокой сложностью в постановке экспериментов по измерению гравитации для малых масс.

Группа ученых под руководством Хендрика Ульбрихта (Hendrik Ulbricht) и Тьерка Остеркампа (Tjerk H. Oosterkamp) из Саутгемптонского и Ляйденского университетов, а также из Института фотоники и нанотехнологий в Тренто, провела эксперимент по измерению гравитации между магнитной неодимовой (Nd₂Fe₁₄B) частицей массы 0,48 миллиграмм и латунными брусками массой 2,48 килограмм. Для этого частицу помещали в сверхпроводящую магнитную ловушку, в которой частица левитировала в гравитационном поле Земли. Физики измеряли положение частицы в зависимости от положения латунных брусков, закрепленных на вращающемся колесе примерно в полуметре от ловушки. В результате ученым удалось зарегистрировать гравитационную силу, влияющую на частицу, величиной всего 30 аттоньютонов.

Ученые отмечают, что измеренная величина оказалась систематически меньше расчетной. Физики связывают это с возможным влиянием изменяющегося гравитационного поля непосредственно на ловушку, в которой была заключена частица, из-за антивибрационной системы. Для исключения влияния механических вибраций на ход эксперимента вся установка была закреплена на бетонном блоке весом 25 тонн, находящемся на пневматических демпферах. Кроме того, внутренняя часть установки с магнитной ловушкой была подвешена на системе пружин, гасящих вертикальные и боковые вибрации. Именно из-за пружинного подвеса сама магнитная ловушка тоже оказалась подвержена воздействию изменяющегося гравитационного поля. Причем из-за разных резонансных частот пружин и частоты вращения колеса с латунными брусками это влияние оказалось мало, но сдвинуто по фазе на 180 градусов относительно колебаний самой частицы, что систематически гасило колебания частицы.

Несмотря на систематический сдвиг, физики продемонстрировали возможность использования магнитной ловушки для измерения гравитационного взаимодействия. Физики утверждают, что используя вторую ловушку с частицей в качестве источника изменяющейся гравитации, появится возможность измерять гравитационное взаимодействие между частицами, в том числе на уровне массы Планка (около 20 микрограмм).

Авторы исследования полагают, что данный метод лучше подходит для измерений гравитационных взаимодействий малых масс, чем оптические ловушки, из-за отсутствия проблем декогерентности и шума из-за нагрева лазера. Впрочем, ученые с успехом применяют оптические пинцеты, например, для создания гироскопа из оптически левитирующих частиц.