Obwohl die Schwerkraft uns auf dem Boden hält und das durch den Raum wandernde Licht verzerrt, ist sie eigentlich eine ziemlich schwache Kraft. Je kleiner die Masse, desto geringer scheint die Anziehungskraft der Schwerkraft zu sein, bis sie auf der Quantenskala überhaupt keine Kraft mehr zu haben scheint.
Jetzt haben Physiker in England und Europa eine winzige, aber scheinbare Anziehungskraft auf eine winzige Masse gemessen. Damit ist sie die kleinste Masse, die jemals Anzeichen von Schwerkraft zeigt, einer Kraft, die Physiker seit Jahrhunderten verwirrt. Die Forschung des Teams ist veröffentlicht heute in Science Advances.
„Wir haben Gravitationssignale bei der kleinsten jemals aufgezeichneten Masse erfolgreich gemessen. Das bedeutet, dass wir der endgültigen Erkenntnis, wie es zusammenwirkt, einen Schritt näher gekommen sind“, sagte Tim Fuchs, Physiker an der University of Southampton und Hauptautor der Studie, in einem Interview Veröffentlichung der Universität. „Von hier aus werden wir mit dieser Technik beginnen, die Quelle zu verkleinern, bis wir auf beiden Seiten die Quantenwelt erreichen.“
Zwei Bereiche der Physik, die Quantenmechanik und die Newtonsche Schwerkraft, scheinen nicht miteinander verbunden zu sein. Zumindest jetzt noch nicht. Im Quantenbereich versagen die Theorien der klassischen Physik. Die Regeln, die unser Universum regieren, gelten nicht für diese kleinen Massen. Aber zu verstehen, wie sich die Gravitationskraft auf der Quantenskala manifestiert – sei es in Feldschleifen, in Schwingungsketten oder auf andere Weise – könnte Licht auf einige der schwierigsten Fragen der Physik werfen.
„Durch das Verständnis der Quantengravitation könnten wir einige der Rätsel unseres Universums lösen – etwa wie es begann, was in Schwarzen Löchern passiert oder alle Kräfte in einer großen Theorie vereinen“, fügte Fuchs hinzu.
Für die Messung platzierte das Team eine Masse von 0,000015 Unzen (0,43 Milligramm), bestehend aus drei Magneten und einer Glasperle, in einem Kryostat. Um seine Gravitationskraft zu messen, ließ das Team es in einer Magnetfalle aus Tantal schweben und kühlte es im Kryostaten auf knapp über den absoluten Nullpunkt ab, um es supraleitend zu machen. (Um eine solch schwache Gravitationskraft zu erkennen, mussten die Forscher die Umgebung so weit wie möglich beruhigen und die Bewegung des Testobjekts minimieren.)
Sie kühlten die Magnetfalle auf 4,48 Kelvin (ungefähr -274° Celsius) ab und verwendeten einen SQUID (ein supraleitendes Quanteninterferenzgerät), einen Quantensensor, der in den 1960er Jahren ausgerechnet von der Ford Motor Company entwickelt wurde, um die Gravitationskopplung zwischen ihnen zu messen die Testmasse und 2,2 Pfund (1 Kilogramm) Quellenmassen in etwa 3 Fuß Entfernung. An der Testmasse maß das Team eine Zugkraft von 30 Attonewton.
„Unsere neue Technik, die extrem kalte Temperaturen und Geräte zur Isolierung der Schwingungen des Teilchens nutzt, wird sich wahrscheinlich als zukunftsweisender Weg zur Messung der Quantengravitation erweisen“, sagte Hendrik Ulbright, Forscher an der University of Southampton und Mitautor der Studie gleiche Veröffentlichung. „Die Entschlüsselung dieser Geheimnisse wird uns helfen, weitere Geheimnisse über die Struktur des Universums zu erschließen, von den kleinsten Partikeln bis hin zu den großartigsten kosmischen Strukturen.“
Neue Informationen über die Schwerkraft in ihren Extremen haben Auswirkungen darauf, was im Zentrum eines Schwarzen Lochs passiert Innenleben dichter Objekte wie Neutronensterneund das Natur der sogenannten Dunklen Materie, unsichtbarer Stoff, dessen Wirkung nur durch die Schwerkraft beobachtet werden kann. Viele neue Einblicke in diese exotische Physik lassen sich gewinnen, wenn man nach oben schaut und sich die Wechselwirkungen der größten Objekte im Universum ansieht. Doch ein Blick nach unten auf die gleichen Phänomene, die sich in irdischen Laboratorien abspielen, kann noch viel mehr offenbaren.
Die Quantenwelt ist seltsam und wir sind weit davon entfernt, die Natur der Schwerkraft über die Grenzen der klassischen Physik hinaus zu verstehen. Aber das jüngste Experiment scheint eine neue Grenze in den Sand gezogen zu haben.
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