Cel mai slab câmp gravitațional, măsurat cu succes, confirmă legea gravitaţiei a lui Newton

Pentru prima dată, fizicienii au măsurat câmpul gravitațional dintre două sfere de aur de 90 de miligrame.

Oficial, acesta este cel mai slab câmp gravitațional măsurat cu succes, o realizare care ar putea deschide calea sondării interacțiunilor gravitaționale în tărâmul cuantic.

Există o mare problemă cu matematica pe care o folosim pentru a descrie Universul, în special modul cum se comportă gravitația. Spre deosebire de celelalte trei forțe fundamentale din Univers, forţa nucleară slabă, forţa nucleară tare și forţa electromagnetică, gravitația nu poate fi descrisă cu Modelul Standard din fizica particulelor.

Teoria relativității generale a lui A.Einstein este folosită pentru a descrie și prezice interacțiunile gravitaționale în majoritatea situaţiilor. Cu toate acestea, atunci când ajungem la o scară dimensională specifică lumii cuantice, relativitatea generală nu se mai poate aplica, iar mecanica cuantică preia controlul.

Concilierea celor două teorii, relativitatea generală şi mecanica cuantică, s-a dovedit până acum foarte dificilă.

Relativitatea generală a înlocuit un model anterior, legea gravitației universale a lui Newton, care nu a inclus curbura spațiu-timpului. Se afirmă că atracția gravitațională dintre două obiecte este direct proporțională cu produsul maselor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre centrele obiectelor.

Fizica newtoniană se poate aplica cu succes pentru majoritatea aplicațiilor terestre.

Ce se întâmplă în cazul unor interacțiuni gravitaționale cu adevărat slabe? De obicei, măsurarea acestora a fost cu adevărat provocatoare pentru fizicieni, deoarece este foarte dificil să fie izolate de efectele gravitației Pământului și ale altor perturbații.

Majoritatea măsurătorilor câmpului gravitaţional au implicat mase de cel puțin un kilogram. Recent, aceste mase au devenit considerabil mai mici.

Pentru aceasta o echipă de oameni de știință condusă de Tobias Westphal de la Academia Austriacă de Ştiinţe şi-a îndreptat din nou atenţia către primul experiment în care s-a măsurat forţa gravitaționala dintre două mase și care a furnizat primele valori exacte pentru constanta gravitaţională.

Este vorba despre un experiment din secolul al XVIII-lea al lui Henry Cavendish, un om de știință englez care a înţeles cum se poate anula, în mod eficient, efectul gravitației Pământului. El a creat o balanţă de torsiune, atașând greutăți de plumb la fiecare capăt al unei tije suspendate orizontal.

Atracția gravitaţională dintre cele două mase a provocat rotirea tijei, răsucind firul pe care a fost suspendată tija, ceea ce i-a permis lui Cavendish să măsoare forţa gravitațională pe baza a cât de mult s-a răsucit firul. Acesta este experimentul Cavendish.

Westphal și colegii săi au modificat experimentul Cavendish pentru a testa atracția gravitațională la o scară dimensională mai mică. Ei au folosit mici sfere de aur, fiecare cu o rază de doar 1 milimetru și o masă de 92 miligrame.

Două sfere de aur au fost atașate la capetele unei tije orizontale din sticlă, la o distanţă de 40 milimetri. Una dintre sfere a fost masa de testare, cealaltă a fost masa de echilibrare. O a treia sferă, masa sursă, a fost mutată în apropierea masei de testare pentru a crea o interacțiune gravitațională.

Un scut Faraday a fost folosit pentru a bloca interacțiunea electromagnetică dintre sfere, iar experimentul a fost realizat într-o cameră de vid pentru a preveni interferențele acustice și seismice.

Experimentul Cavendish. Credit: Westphal, Nature, 2021

Cercetătorii au utilizat reflexia unui fascicul laser de pe o oglindă din centrul tijei către un detector. Pe măsură ce tija s-a răsucit, deplasarea laserului pe detector a indicat mărimea forței gravitaționale ce se exercita, în timp ce mișcarea masei sursă le-a permis cercetătorilor să scaneze, cu precizie, câmpul gravitațional generat de cele două mase.

Măsurarea câmpului gravitațional în experimentul modern Cavendish.

Credit: Tobias Westphal/University of Vienna

Cercetătorii au descoperit că şi în aceste condiţii legea gravitației universale a lui Newton se respectă. Din măsurători ei au reușit chiar să calculeze constanta gravitațională (G) sau constanta lui Newton, obţinând o valoare de doar 9% din valoarea indicată la nivel internațional. Conform cercetătorilor, această discrepanță poate fi atribuită, în totalitate, incertitudinilor din experimentul lor, care nu a fost conceput pentru a măsura G.

În concluzie, rezultatul arată că măsurători ale câmpului gravitaţional pot fi efectuate în viitor la o scară dimensională chiar mai mică. Acest lucru i-ar putea ajuta pe oamenii de ştiinţă să sondeze tărâmul cuantic și deschide noi perspective asupra materiei întunecate, energiei întunecate, teoriei corzilor și câmpurilor scalare.

„Experimentul nostru oferă o cale viabilă pentru a explora un câmp gravitațional care implică teste de precizie a gravitației cu mase microscopice, izolate sau cu mase chiar mai mici decât masa Planck.

Acest lucru deschide şi alte posibilități, cum ar fi o abordare diferită pentru determinarea constantei lui Newton, care rămâne cea mai puțin testată dintre constantele fundamentale.

În general, experimentele miniaturizate de precizie pot permite testarea legii gravitației la scări dimensionale considerabil mai mici decât este posibil în prezent”, au scris cercetătorii în lucrarea lor.

Cercetarea a fost publicată în Nature.

Traducere după Physicists Just Made The Smallest Gravitaţional Field Measurement Ever