Fizičari su otkrili način mjerenja gravitacije na kvantnoj razini

Djelujući na izuzetno malu česticu koja lebdi unutar magnetske zamke, skupina fizičara uspjela je izmjeriti najslabiju gravitacijsku silu koja je ikada zabilježena. Masa čestice iznosila je svega 0,43 grama, dok je intenzitet gravitacijske sile bio na razini attonewtona (10^-18 newtona), što je dovoljno malo da se smjesti na sam rub kvantne domene. Ovo otkriće otvara vrata mogućnosti za dublje razumijevanje načina na koji klasična fizika i kvantna mehanika međusobno interagiraju.

“Stoljećima znanstvenici pokušavaju, ali bez uspjeha, razumjeti kako gravitacija i kvantna mehanika zajedno funkcioniraju,” izjavio je znanstvenik Tim Fuchs sa Sveučilišta u Leidenu i Sveučilišta u Southamptonu, koji je predvodio istraživački tim. “Sada kada smo uspješno izmjerili gravitacijske signale pri najmanjoj dosad zabilježenoj masi, to znači da smo korak bliže razumijevanju njihova zajedničkog djelovanja.”

Kvantna gravitacija

Problem kvantne gravitacije može se opisati kao iznimno složen, barem za sada. Radi se o našim okvirima za objašnjenje svemira. Klasična fizika, odnosno gravitacija, objašnjava kako stvari funkcioniraju na većini razina. Međutim, kada se spustimo na iznimno male, atomičke i subatomičke razmjere, gravitacija više nije adekvatno objašnjenje za ono što promatramo. U tom kontekstu, fizika se oslanja na kvantnu mehaniku, koja nudi odlična objašnjenja. No, baš kao što klasična fizika nije primjenjiva na kvantne razmjere, tako ni kvantna mehanika nije primjenjiva na razmjere klasične fizike. Unatoč tome, svemir funkcionira, što vodi znanstvenike do zaključka da postoji još nepoznata veza između ta dva teorijska okvira.

Ispitivanje gravitacije na iznimno malim, kvantnim razmjerima

Jedan od potencijalnih pristupa istraživanju ovog problema jest ispitivanje gravitacije na iznimno malim, kvantnim razmjerima. No, to je izazovnije nego što se na prvi pogled čini: gravitacija je prisutna svugdje u svemiru, a izdvajanje kvantnog signala unutar zemaljske gravitacijske okoline predstavlja izuzetan izazov. Kako bi prevladali ovu poteškoću, Fuchs i njegov tim poslužili su se superprovodničkom magnetskom zamkom. Mala zamka izrađena od tantala ohlađena je na kritičnu temperaturu od 4,48 Kelvina (-268,67 Celzijevih stupnjeva).

Postupak i eksperiment

Unutar komore čestica je bila levitirana. Sastojala se od tri sfere neodimijskog magneta promjera 0,25 milimetara i jedne staklene sfere istog promjera, koje su kombinirane u jednu česticu mase približno 0,43 grama. Eksperimentalni uređaj bio je suspendiran pomoću opruga u sustavu mase kako bi se zaštitio od vanjskih vibracija, dok je kriostat postavljen na pneumatske amortizere radi smanjenja vibracija koje dolaze iz same zgrade.

Kao konačni korak, kotač pokretan električnom energijom s tri mesingane mase od po 2,45 kilograma postavljen je kako bi stvorio gravitacijski gradijent, što je rezultiralo mjerljivim učinkom na česticu – gravitacijskom silom od svega 30 attonewtona. Ovo je najmanja skala na kojoj je gravitacija izmjerena, nadmašivši rekord postavljen prije samo tri godine s dvije zlatne kuglice mase 90 miligrama. Istraživači naglašavaju da je ovo tek prvi korak. Sada kada su demonstrirali učinkovitost svog eksperimenta, cilj im je dalje proširiti granice istraživanja.

“Odavde, počet ćemo smanjivati izvor koristeći ovu tehniku sve dok ne dosegemo kvantni svijet s obje strane,” kaže Fuchs. “Razumijevanjem kvantne gravitacije, mogli bismo razriješiti neke od misterija našeg svemira – kao što su njegov početak, što se događa unutar crnih rupa ili ujedinjenje svih sila u jednu veliku teoriju.”