Kā izmērīt kvantu objekta gravitācijas lauku

18. gadsimta beigās britu zinātnieks Henrijs Kavendišs pirmo reizi laboratorijā izmērīja gravitācijas spēku starp diviem objektiem. Attiecīgie priekšmeti bija svina bumbiņas, viena arbūza, otra beisbola izmēra. Viņš atklāja, ka spēks starp viņiem bija niecīgs — apmēram smilšu grauda svars.

Kopš tā laika eksperimenti ir kļuvuši precīzāki, bet joprojām parasti ietver salīdzinoši lielus objektus — mazākais gravitācijas lauks, kāds jebkad izmērīts, bija starp diviem cilindriem, kas sver 90 gramus. Bet lauki starp mazākām masām ir tik niecīgi, ka neviens nav izdomājis veidu, kā tos izmērīt.

Šķiet, ka tas mainīsies, pateicoties Jonasa Šmoles un viņa draugu darbam Vīnes Universitātē Austrijā. Viņi ir izstrādājuši veidu, kā izmērīt milimetru mēroga objektu gravitācijas pievilcību, kas ir par trim lielumiem mazāk masīvi nekā jebkas, kas tika izmērīts iepriekš.

Šāds eksperiments ļautu zinātniekiem pārbaudīt gravitāciju uz svariem, kas nekad agrāk nav bijuši iespējami, un paver durvis uz jaunu eksperimentu laikmetu, kas pirmo reizi pēta gravitācijas un kvantu mehānikas attiecības.

Jaunā gravitācijas spēku mērīšanas metode principā ir vienkārša. Pamatā tas izmanto veidu, kā sīki objekti rezonē, kad tie tiek atkārtoti pamudināti. Viens no veidiem, kā to izdarīt, ir no silīcija izgrebt sīkus tramplīnus, lai to uzraudzībai nepieciešamo elektroniku varētu iebūvēt vienā mikroshēmā. Šīs tā sauktās mikroelektromehāniskās ierīces pēdējos gados ir kļuvušas izplatītas — tās ir, piemēram, viedtālruņu drošības spilvenu un akselerometru tehnoloģija.

Tagad Šmole un citi vēlas tos izmantot gravitācijas spēku mērīšanai. Viņu ideja ir izveidot tramplīnu un tā galā novietot miligrama mēroga lodi. Šī ir testa masa, kuras kustību gravitācijas spēka ietekmē viņi cer izmērīt.

Tajā pašā laikā viņi uz stieņa gala novieto vēl vienu līdzīgu sfēru, kuru var kustināt uz priekšu un atpakaļ kā virzuli. Šī ir avota masa, kas ģenerē kustīgu gravitācijas lauku.

Kad šīs divas sfēras ir novietotas tuvu viena otrai, iegūtajam gravitācijas laukam starp tām jārada pievilcīgs spēks. Tam vajadzētu vilkt testa masu uz tramplīna pret avota masu. Kad avota masa attālinās, pievilcība samazināsies, ļaujot testa masai nokrist.

Tas liek tramplīnam vibrēt. Un, ja avota masas kustība sakrīt ar noteiktu kritisko frekvenci, tramplīns rezonēs, un šo kustību var izmērīt, atsitot lāzeru no tramplīna.

Pielāgojot veidu, kā avota masa pārvietojas uz priekšu un atpakaļ, Schmole un co varēs izpētīt veidu, kā notiek rezonanse un izmērīt spēku, kas to izraisa - gravitācijas pievilcību starp abiem ķermeņiem.

Un tas arī viss — vienkāršs veids, kā izmērīt gravitācijas spēku starp diviem miligramu lieluma objektiem, kas mūsdienās ir iespējams ar mūsdienīgām MEM ierīcēm.

Protams, eksperimentā ir daži svarīgi smalkumi. Piemēram, testa masa un avota masa ir jāizolē tā, lai viena kustība neietekmētu otru, izņemot gravitācijas pievilcību. Tas ir nozīmīgs izaicinājums. Vēl viens ir visas ierīces izolēšana no ārējām vibrācijām, kas var ietekmēt interesējošo signālu.

Taču Šmole un kolēģi apgalvo, ka tās ir pārvaldāmas un ka eksperiments ir ļoti iespējams. Pašreizējām jaunākajām tehnoloģijām būtu jāļauj demonstrēt koncepcijas pierādījumus milimetru un desmitu miligramu mērogā, kas jau uzlabo pašreizējo ierobežojumu nelielas avota masas gravitācijas lauka uztveršanai par trim lieluma kārtām, viņi saka.

Tas ir interesants darbs un ne tikai ar to saistīto eksperimentālo izaicinājumu dēļ. Milimetru mēroga objekti ir tuvu tai mērogam, kurā kļūst novērojami dīvainie kvantu mehānikas likumi. Tas noved pie dīvainas parādības, piemēram, viena objekta atrašanās divās vietās vienlaikus.

Aizraujošā iespēja, uz kuru norāda Šmole un viņa kolēģi, ir spēja izmērīt gravitācijas spēku, kas saistīts ar kvantu objektiem. Kā gravitācijas spēks izpaudīsies, ja tas būs saistīts ar objektu, kas vienlaikus atrodas divās vietās?

Tas ir jautājums, uz kuru daudzi fiziķi sniegtu savas labās rokas, lai zinātu atbildi. Viņiem var nebūt ilgi jāgaida!

Atsauce: arxiv.org/abs/1602.07539 : Mikromehānisks principa pierādījuma eksperiments miligramu masu gravitācijas spēka mērīšanai

paslēpties