Гравитационное притяжение между любыми двумя объектами прямо пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, умноженному на коэффициент G. Эта формула известна каждому, кто обучался физике в школе. Изначально она была выведена ещё Исааком Ньютоном в XVIII веке, но теперь физики решили измерить значение гравитационной постоянной и взглянуть на неё через призму квантовой механики. Авторы исследования отмечают, что их методика ещё нуждается в доработках, но объединение квантовой механики с классической уже является большим прорывом для фундаментальной науки.
В исследовании, описанном сегодня в журнале Nature, физики измеряли крохотное гравитационное взаимодействие между охлаждёнными атомами рубидия и 516-килограммовым массивов из вольфрамовых цилиндров. Неопределённость в этом измерении составляет 150 частей на миллион, или 0,015%, что лишь немного больше, чем у обычного метода определения гравитационной постоянной, использующего две макроскопические массы.
Обычные технологии измерения G были изобретены ещё в 1798 году Генри Кавендишем. Он поставил эксперимент по вычислению средней плотности Земли. Для опыта учёный использовал крутильные весы и сравнивал маятниковые колебания некоего тела, вызванные силой тяжести нашей планеты. Разумеется, с тех пор точность измерения показателя G выросла, но результаты Кавендиша и современных физиков радикально не отличаются.
Однако учёные давно заметили, что традиционные методы измерения гравитационной постоянной с использованием крутящего момента часто дают противоречивые результаты. Новая методика использует особые свойства частиц вещества, например, способность атомов вести себя как волны.
"Наша методика основана на совершенно других принципах измерения и позволяет исключить традиционные ошибки. Высокая чувствительность наших приборов помогает оценить гравитационную постоянную с очень высокой точностью", — говорит соавтор исследования Гульельмо Тино (Guglielmo Tino) из университета Флоренции в Италии.
В своём эксперименте Тино и его коллеги использовали атомные интерферометры — устройства, которые используют волнообразную природу материи для максимально точного измерения гравитационного ускорения. Такую методику уже применяли физики из Стэнфордского университета в 2007 году, но показатель Тино и его команды оказался в десять раз точнее предыдущего.
Лазерные импульсы направляли поодиночке в облако атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля, что заставляло частицы подлетать вверх (как воду в фонтане), а затем снова "падать" под воздействием гравитации. Импульсы кроме того ввели "волну вещества" каждого атома в суперпозицию двух энергетических состояний, каждое из которых характеризовалось разной скоростью. Полученные "волны" поднимались на разную высоту — от 60 до 90 сантиметров — прежде чем снова "упасть".
Та волна, которая поднимается выше, удалена больше от вольфрамовых цилиндров и, таким образом, испытывает немного другое гравитационное притяжение. Появляющаяся в результате разница может быть измерена, когда "волны материи" рекомбинируют и создают интерференционную картину.
Для того чтобы исключить из системы влияние гравитации Земли, приливных сил Луны и Солнца (меняющихся со временем), исследователи использовали два атомных интерферометра. Показатель получился максимально точным и не менялся при повторных проведениях эксперимента.
Возвращаясь к классическим методам измерения G, стоит отметить, что расхождения в получаемых значениях могут определяться как неизвестной или же пропущенной учёными ошибкой метода, так и тем, что Ньютон был не прав. Возможно, закон всемирного тяготения с теми массами и на тех расстояниях, что используются в лаборатории, работает немного по-другому. Новый независмый и точный метод измерений, разрабатываемый физиками, поможет разобраться в этом вопросе.
Также по теме:
Взрывающиеся звeзды доказали неизменность гравитации Ньютона во времени
Предложен новый метод измерения воздействия гравитации на антиматерию
Физики раскрыли секрет бус, опровергнувших гравитацию
Ученые измерили скорость гравитации
Сверхплотная тройная звезда продемонстрировала уникальные гравитационные эффекты
