Jak zmierzyć grawitację ziarna sezamu

Redakcja NTL
NTL
29.03.2021
Przewidywany czas: 4 min

O grawitacji zazwyczaj mówimy w kontekście gwiazd, planet i czarnych dziur. Zastanawiamy się, gdzie jest ona największa. Równie ciekawe, ale i niebanalne okazuje się badanie minimalnej grawitacji. Przetestowano ją na… ziarnach sezamu!

Grawitacja to powszechna siła pochodząca od wszystkich obiektów posiadających masę, której doświadczamy na co dzień. Każdy upuszczony przez nas przedmiot upada na ziemię. Żeby go podnieść, potrzebujemy włożyć w to dużo pracy. Mimo to, grawitacja jest uważana w fizyce za siłę słabą. Jej potęga bierze się z ogromnej masy Ziemi, która powoduje tak silne przyciąganie. Obiekty o mniejszej skali, jak książka, krzesło czy nawet samochód, przyciągają bardzo słabo, dla nas niezauważalnie. 

Tak samo, tylko dokładniej

Zespół fizyków pod kierunkiem Markusa Aspelmeyera i Tobiasa Westphala z Uniwersytetu Wiedeńskiego i Austriackiej Akademii Nauk postanowił zmierzyć siłę oddziaływania najmniejszej jak do tej pory masy. Eksperyment ten bazował na słynnym pomiarze Henry Cavendisha pod koniec XVIII wieku, w którym zmierzył on oddziaływanie pochodzące od 150 kg ołowianych kul. Był to bardzo dokładny pomiar jak na owe czasy. Współcześnie naukowcom udało się zmierzyć siłę grawitacyjną pomiędzy dwiema kulkami wielkości ziarenka sezamu. Złote kulki o średnicy 2 mm ważą 90 mg i są to najlżejsze obiekty, których grawitacja została zmierzona jak do tej pory. Wyniki opublikowane w Nature to coś więcej niż tylko wyścig po coraz lepszą aparaturę pomiarową. W odległej perspektywie naukowcy dążą do pogodzenia grawitacji z mechaniką kwantową. 

Zmierzyć niemierzalne

Trudno pojąć, jak bardzo słaba jest grawitacja tak małych mas. Trudności w czułym pomiarze powodują, że stała grawitacji to najsłabiej zmierzona z fundamentalnych stałych przyrody. Głównym wyzwaniem zespołu Aspelmeyera było zaprojektowanie detektora na tyle czułego, aby zmierzyć oddziaływanie grawitacyjne, ale nieczułego na wszelkie inne większe siły działające ze wszystkich stron. Z tego też powodu , aby wyeliminować oddziaływanie elektrostatyczne, cały układ znajdował się w próżni i był otoczony klatką Faradaya. Naukowcy oszacowali, że wszystkie inne oddziaływania będą w tym przypadku dziesięć razy słabsze od oddziaływania grawitacyjnego.

Aby uzyskać taką dokładność użyto wagi skręceń. W tym eksperymencie jedna kulka jest zawieszona na końcu cienkiego pręta podwieszonego w środku przez cienkie kwarcowe włókno. Takie włókno jest bardzo podatne, dlatego nawet mała siła powoduje względnie duże skręcenie i obrót. Druga kulka na końcu pręta jest przeciwwagą. Zbliżanie masy powoduje obracanie się wahadła, aż do momentu zrównoważenia przez siłę skręcania włókna. Wahadło skrętne ma taką zaletę, że jest niewrażliwe na siły pochodzące od odległych obiektów, które działają jednocześnie na masę testową i przeciwwagę, nie powodując obrotu. 

Pomiary tylko od święta

Mimo sprytnego rozwiązania nie udało się całkowicie wyeliminować zakłóceń powodowanych miejskim otoczeniem w zatłoczonym Wiedniu. Piesi oraz ruch samochodowy tworzą drgania sejsmiczne, które zakłócają dokładność pomiaru. Dlatego naukowcy pracowali w nocy oraz podczas przerwy świątecznej w grudniu, kiedy ruch na ulicach był najmniejszy.

Aby zmierzyć siłę pochodzącą od masy źródłowej nie wystarczyło umieścić jej w pobliżu masy umieszczonej w wahadle. Trzeba było poruszać ją tam i z powrotem, aby upewnić się czy wahadło będzie się wychylało dokładnie w momencie zbliżania masy. Rzeczywiście, naukowcy zaobserwowali siłę oscylującą z dokładnie taką samą częstością. Proces został powtórzony wielokrotnie, a zmierzone siły były rzędu 10 femtonewtonów przy odległości między 2,5 a 5,5 mm. Pomiary zgadzały się ze słynnym newtonowskim prawem grawitacji. 

Jeszcze mniej

Badacze uważają, że ulepszone wahadło skrętne może zmierzyć oddziaływanie pochodzące od mas dużo mniejszych. Ich celem jest eksperymentalne sprawdzanie kwantowej natury grawitacji. Mimo, że mechanika kwantowa jest jedną z najlepszych i najlepiej przetestowanych teorii w nauce i opisuje wszystko od zachowania cząstek subatomowych aż do fizyki półprzewodników umożliwiającej działanie komputerów, to wciąż próby połączenia mechaniki kwantowej i teorii grawitacji spaliły na panewce z powodu różnych sprzeczności i nonsensownych przewidywań. 

Cząstki opisywane mechaniką kwantową zachowują się w sposób wyjątkowo sprzeczny z intuicją. Efekty kwantowe objawiają się w małych i dobrze izolowanych systemach, jak na przykład atomy i cząsteczki i stają się słabsze w większej skali, w której istotna jest grawitacja. Do tej pory testowanie kwantowej natury grawitacji wydawało się być daleko poza zasięgiem możliwości pomiarowych. 

 

Na zdjęciu: Wahadło skrętne użyte do pomiaru grawitacji złotej kulki. Nature 591, 225–228 (2021).

Źródło:

1.  https://www.scientificamerican.com/ 

2. Nature 591, 225–228 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03250-7

Zobacz również
CERN

Co dał nam CERN?

02.12.2021 4 min czytania

Podcasty NTL