Как поймать гравитацию: найден новый способ измерить сверхслабое притяжение в квантовом режиме

Экспериментальная физика сегодня сталкивается с препятствием, которое лежит не в плоскости теории, а в физических свойствах самой материи. Главной проблемой при изучении фундаментальных взаимодействий на микроуровне становится «шум» окружающей среды. Тепловые флуктуации и механические вибрации создают хаотический фон, который делает практически невозможной регистрацию сверхслабых сигналов. Именно по этой причине гравитация остается единственной силой, чье поведение в квантовом масштабе до сих пор не подтверждено экспериментально: гравитационное притяжение малых объектов настолько ничтожно, что оно полностью перекрывается естественным движением атомов.

Чтобы зафиксировать гравитацию частицы, сопоставимой по размеру с пылинкой, необходимо создать условия абсолютной тишины — изолировать объект от любых внешних воздействий. Группа исследователей из Института физики Лейденского университета (Нидерланды) представила в журнале Science Advances результаты работы, в которой эта инженерная задача была решена. Им удалось измерить гравитационную силу величиной в 30 аттоньютонов, применив технологию магнитной левитации при температурах, близких к абсолютному нулю.

Ограничения существующих методов

До недавнего времени эксперименты по измерению малых гравитационных сил сталкивались с неустранимым препятствием: тепловым шумом и вибрациями окружающей среды. Любой физический объект, имеющий температуру выше абсолютного нуля, испытывает хаотическое движение атомов. Для микроскопических объектов это движение становится настолько сильным, что полностью перекрывает слабый сигнал гравитационного притяжения.

В предыдущих попытках ученые использовали метод оптической левитации, удерживая микрочастицы в вакууме с помощью сфокусированного лазерного луча. Несмотря на эффективность удержания, этот метод имеет серьезный недостаток: фотоны лазера передают энергию частице, нагревая ее. Этот нагрев разрушает квантовую когерентность — хрупкое состояние, необходимое для наблюдения квантовых свойств гравитации. Для продвижения вперед требовалась технология, позволяющая удерживать частицу без физического контакта и без передачи тепловой энергии.

Принцип магнитной левитации в криогенной среде

Команда под руководством Тьерка Оостеркампа разработала установку, основанную на свойствах сверхпроводимости. В эксперименте не используются лазеры или механические подвесы. Вместо этого применяется магнитная левитация, работающая при экстремально низких температурах.

Основным элементом системы является ловушка, изготовленная из тантала. При охлаждении ниже критической температуры (4,48 Кельвина) тантал переходит в сверхпроводящее состояние. Одной из характеристик сверхпроводников является эффект Мейснера — способность полностью вытеснять из своего объема магнитное поле.

Внутри этой ловушки помещается композитная частица массой 0,43 миллиграмма. Она состоит из трех неодимовых магнитов размером 0,25 мм каждый и стеклянной сферы, выполняющей роль структурного элемента. Благодаря эффекту Мейснера магнитное поле частицы взаимодействует со сверхпроводящими стенками ловушки, создавая силу отталкивания. Это позволяет частице стабильно парить в пространстве, не касаясь стенок камеры.

Вся экспериментальная установка помещена в рефрижератор растворения, который охлаждает систему до температуры ниже 100 милликельвинов (менее 0,1 градуса выше абсолютного нуля). Такая среда практически полностью подавляет тепловой шум, обеспечивая «тишину», необходимую для регистрации сверхслабых сил.

Механика эксперимента: создание и детекция сигнала

Для проверки чувствительности системы необходимо было создать контролируемый источник гравитации. Поскольку цель эксперимента — доказать способность системы регистрировать малые силы, в качестве источника гравитационного поля использовалось внешнее устройство.

Рядом с криостатом было установлено вращающееся колесо, на ободе которого закреплены три латунные массы весом по 2,45 кг каждая. При вращении колеса эти массы периодически приближаются к левитирующей частице и удаляются от нее, создавая переменное гравитационное поле.

Физики использовали принцип механического резонанса. Левитирующая частица в магнитной ловушке ведет себя как гармонический осциллятор — она имеет собственную частоту колебаний (в данном случае около 27 Гц). Вращение колеса с массами было настроено таким образом, чтобы частота изменения гравитационного поля точно совпадала с собственной частотой колебаний частицы. Это позволяет накапливать энергию воздействия: даже ничтожно слабая сила при длительном воздействии в резонансе способна вызвать измеримое смещение частицы.

Для регистрации движения частицы использовался сверхпроводящий квантовый интерферометр (SQUID). Это высокочувствительный датчик, реагирующий на изменение магнитного потока. Когда левитирующий магнит смещается под действием гравитации внешних масс, SQUID фиксирует изменение магнитного поля с высокой точностью.

Анализ результатов и точность измерений

В ходе эксперимента датчики зафиксировали силу гравитационного взаимодействия, равную 30 аттоньютонов (30 x 10⁻¹⁸ Ньютона). Эта величина находится на пределе возможностей современных измерительных приборов.

Важнейшим показателем качества экспериментальной установки является добротность системы (Q-фактор), которая характеризует, насколько долго система может сохранять энергию колебаний без затухания. Измеренная добротность составила более 10⁶, что свидетельствует о чрезвычайно низком уровне диссипации энергии. Это подтверждает, что магнитная левитация в сверхпроводящей ловушке обеспечивает практически полную изоляцию от внешних помех.

Уровень шума силы в эксперименте составил 0,5 фемтоньютона на корень из герца. Это означает, что система способна различать полезный сигнал на фоне естественных флуктуаций вакуума и остаточных вибраций установки. Для достижения такой стабильности потребовалась многоступенчатая система виброизоляции: криостат был закреплен на 25-тонном бетонном блоке, установленном на пневматических демпферах.

Значение для развития фундаментальной физики

Результат, полученный группой из Лейдена, является технологическим доказательством концепции. Ученые продемонстрировали, что можно измерять гравитацию на объектах миллиграммового масштаба, сохраняя при этом низкую температуру и высокую добротность системы. Это открывает путь к следующему этапу исследований, который может изменить наше понимание природы реальности.

Текущая конфигурация использовала классический массивный источник гравитации (килограммы) и малый детектор (миллиграммы). Конечной целью программы является переход к схеме, где и источник, и детектор будут микроскопическими частицами.

Если физикам удастся измерить гравитационное притяжение между двумя микрочастицами, находящимися в состоянии квантовой суперпозиции (когда частица находится в двух местах одновременно), это станет прямой проверкой квантовой природы гравитации. Согласно теоретическим моделям, если гравитационное поле способно передавать квантовую запутанность между объектами, это докажет, что пространство-время само по себе подчиняется законам квантовой механики.

Кроме того, подобные сверхчувствительные сенсоры могут быть использованы для поиска отклонений от законов Ньютона на малых расстояниях, что предсказывается некоторыми теориями струн и моделями темной материи. Технология магнитной левитации, продемонстрированная в данном исследовании, предоставляет необходимый инструмент для проверки этих гипотез, переводя теоретическую физику в плоскость экспериментальных доказательств.

Источник:Science Advances