Гравітацію детектували на квантовому рівні з небаченою точністю

Коли тенісний м’ячик відбивається від підлоги, 99,99% людей думає, неначе він рухається плавно. Однак це ілюзія: м’ячик рухається не плавно, а постійно пересмикується між рівнями гравітаційної енергії, що розташовані надзвичайно близько один до одного. Причому, пересмикується настільки швидко, що виникає ілюзія, наче він рухається плавно. Ці окремі стани гравітаційної енергії досі були невловимими для вчених, і усі рухи під дією гравітації описували не інакше як плавні (континуальні). В нещодавньому експерименті вчені здійснили прорив, зафіксувавши окремі рівні гравітаційної сили, тільки-от стежили не за тенісним м’ячиком, а за ультрахолодними нейтронами. Таким чином, гравітацію детектували в масштабах, що досі був невловимим для вчених.

 

 

Експериментальний реактор в Інституті Лауе-Ланжевена в Греноблі, на якому були одержані нейтрони, за якими перевіряли, чи є відхилення у гравітації на квантовому рівні.

 

Незалежно від того, чи гравітацію описують за допомогою класичної ньютонівської фізики чи складнішої теорії відносності Ейнштейна, – у всіх випадках цей опис зводиться до одного простого правила: гравітаційна енергія тіла прямо пропорційна висоті, на якій воно перебуває, а його переміщення вверх-вниз можна описати за допомогою параболи. Якщо ж говорити про поведінку елементарних частинок, зокрема нейтронів, то це правило зберігає свою силу: їхня енергія також пропорційна висоті, однак при цьому змінюється не континуально, а стрибкоподібно – як послідовність окремих енергетичних рівнів. Щонайцікавіше, у випадку з гравітаційним впливом на речовину з боку темної матерії та темної енергії (які за деякими оцінками становлять 95% матерії у Всесвіті) слід припускати незначні розбіжності між її енергетичними рівнями, які слід було б очікувати, якби ці загадкові субстанції впливали на речовину виключно за допомогою гравітації.

 

Команда фізиків під керівництвом Гартмута Абеля з Технічного університету Відня доказала, що звичні закони гравітації зберігають свою чинність навіть на відстанях у кілька мікрометрів. Результати експерименту фізики повідомили у статті в журналі Physical Review Letters, яка побачила світ на минулому тижні. Такого висновку вчені дійшли за результатами експерименту, під час якого виміряли рівні квантованої гравітаційної енергії з точністю, що в 100.000 разів перевищує точність попередніх експериментів.

 

Ця точність є достатньою, щоб піддати перевірці деякі гіпотетичні пояснення поведінки темної енергії – невідомої сили, яка прискорює розширення Всесвіту і яку можна детектувати лише за її гравітаційним впливом на речовину. Згідно деяких моделей, гравітаційний вплив темної енергії є іншим, ніж звична гравітація, і це дещо спотворює переходи між квантовими рівнями гравітації, які можна детектувати лише на цій мікрометровій шкалі.  

 

Експеримент команда вчених провела за методикою, яка вперше була описана у 2011 р. Згідно даної методики, спершу на ядерному реакторі отримали нейтрони, які рухаються зі швидкістю 2200 м/с. Згодом їх сповільнили до швидкості лише 7  м/с, а тоді охолодили до температури, яка ледь-ледь вища за абсолютний нуль й пропустили між двома горизонтально розташованими пластинами. 

 

Від нижньої пластини – полірованого дзеркала – нейтрони відбивалися, а верхня пластина відіграла роль поглинача, який відділяє нейтрони з високими енергіями від нейтронів з низькими, залишаючи лише останні. Нейтрони ідеально підходять для подібних екпериментів, адже мають дуже слабку електростатичну поляризацію й не несуть електричного заряду, –  стверджує співавтор дослідження Пітер Ґельтенборт, фізик з Інституту Лауе-Ланжевена у Греноблі (Франція), який підготував частинки для експерименту. «Дійсно відчувають вони лише гравітацію», –  каже він. 

 

Наступним кроком було стрясти дзеркало за допомогою п’єзоелектричного кристала, щоб надати йому такої частоти, яка необхідна, щоб надати нейтронам достатньо енергії, аби перескочити до вищого квантового рівня. Поштовх, який вони потребують, залежить від різниці між енергетичними рівнями, які, своєю чергою, залежать від висоти й, отже, гравітаційного притягання з боку Землі. «Вимірюючи частоту вібрації нейтронів, можна з дуже високою точністю виміряти дію гравітації у мікрометровому діапазоні», - каже Ґельтенборт.

 

Досягнувши точності, що в 100.000 разів перевищує точність попередніх аналогічних експериментів, вчені, однак, дійшли точно такого самого результату: у всіх масштабах й на всіх відстанях гравітація діє однаково. Якщо це й не спростовує існування додаткових екзотичних властивостей і сил, які, згідно деяких гіпотез, гравітація набуває на таких незначних відстанях, однак ставить їм дуже суворі обмеження й робить їх майже невловимими. 

 

Темна енергія – це саме така гіпотетична сила. У випадку зі щільними тілами діапазон її прояву сильно скорочується, тому ми й не можемо спостерігати її вплив на матерію навіть у масштабах, співмірних із масштабами Сонячної системи, й бачимо її прояви лише у масштабах, як мінімум, галактик. Якщо б поруч із чотирма фундаментальними способами взаємодії матерії – гравітаційною, електромагнітною, сильною та слабкою, – існувала б ще якась п’ята сила, яка б йшла у парі з гравітацією, то під дією такої сили переходи між енергетичними рівнями досліджуваних нейтронів мали б виглядати по-іншому. Однак експеримент такої сили не виявив – принаймні у досягнутих масштабах, - стверджує Амол Упадх’є, фізик-теоретик з Жіночого університету Іхва в Сеулі, який не брав участі в дослідженні.

 

Результати також обмежують гіпотетичні властивості темної матерії – субстанції, яка становить 22% від речовини у Всесвіті й яку неможливо детектувати інакше, ніж за її гравітаційним впливом у космічних масштабах. Дуже легкі гіпотетичні частинки, які називають аксіонами, можуть спричинити цю розбіжність від звичайних законів гравітації на коротких відстанях. Проте відсутність такого ефекту у даному дослідженні накладає величезні обмеження на величину цих сил.

 

​Методологію експерименту вчені вже встигли охрестити гравітаційною резонансною спектроскопією й прогнозують їй блискуче майбутнє – від визначення складу віддалених галактик до використання в атомних годинниках. 

23.04.2014