Учёные впервые измерили гравитационное притяжение между объектами массой всего 7,6 миллиграмма
Китайские физики провели эксперимент, позволивший зарегистрировать гравитационное притяжение между двумя кремниевыми пластинками массой всего 7,6 миллиграмма каждая. Это самые лёгкие объекты, взаимное гравитационное воздействие которых удалось непосредственно измерить в подобном лабораторном эксперименте. Результаты открывают новые возможности для изучения гравитации на малых масштабах и поиска её возможных квантовых свойств.
Для эксперимента исследователи создали миниатюрные крутильные весы, основанные на принципе знаменитого опыта Генри Кавендиша XVIII века. Один кремниевый образец закрепили на конце чувствительного подвеса, а рядом установили вращающийся диск с 16 одинаковыми пластинками. При вращении диска каждый образец последовательно приближался к исследуемому телу и создавал чрезвычайно слабое гравитационное притяжение.
Такая конструкция позволила выделить полезный сигнал из фоновых помех. Диск совершал один оборот примерно за десять минут, поэтому воздействие повторялось 16 раз за оборот. По этой периодичности исследователи могли отличать гравитационную силу от случайных вибраций и других внешних воздействий.
Установку поместили в вакуумную камеру, а между движущимися частями расположили тонкую кремниевую мембрану с золотым покрытием. Она помогала уменьшить влияние электростатических сил. Электронная система обратной связи удерживала подвес практически неподвижным, измеряя усилие, необходимое для компенсации возникающего крутящего момента.
При минимальном расстоянии между образцами около 0,65 миллиметра зарегистрированное притяжение составило примерно 471 аттоньютон. Один аттоньютон равен одной миллиардной миллиардной доле ньютона. Это настолько малая сила, что её невозможно обнаружить с помощью обычного лабораторного оборудования.
Исследователи провели измерения при расстояниях от 0,654 до 1,554 миллиметра. Во всём исследованном диапазоне полученные результаты согласовывались с законом всемирного тяготения Ньютона в пределах экспериментальной погрешности. Неопределённость измерения силы удалось снизить до 50 аттоньютонов при доверительном уровне, соответствующем двум стандартным отклонениям.
На основании собранных данных физики также рассчитали гравитационную постоянную. Полученное значение составило 6,67х10⁻¹¹ м³/(кг·с²) с относительной неопределённостью около 5,3%. Оно согласуется с общепринятым значением, хотя по точности значительно уступает специализированным измерениям на более массивных установках.
Главная ценность эксперимента заключается не в уточнении гравитационной постоянной, а в возможности исследовать взаимодействие всё более лёгких объектов. Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени, тогда как квантовая механика объясняет поведение вещества на микроскопических масштабах. Создать единую экспериментально подтверждённую теорию, объединяющую оба подхода, физикам пока не удалось.
Новый результат ещё не свидетельствует об обнаружении квантовой гравитации: кремниевые пластинки в эксперименте не находились в специально подготовленных квантовых состояниях. Однако дальнейшее уменьшение массы объектов и подавление внешних помех могут приблизить исследователей к опытам, позволяющим проверить, обладает ли само гравитационное взаимодействие квантовыми свойствами.
Результаты исследования в журнале Nature Communications.