Hieman yli viikko sitten, eurooppalaiset fyysikot ilmoitti he olivat mitanneet painovoiman pienimmässä mittakaavassa koskaan.

Leidenin yliopistossa Alankomaissa, Southamptonin yliopistossa Isossa-Britanniassa ja Institute for Photonics and Nanotechnologiesissa Italiassa tutkijat mittasivat noin 30 attonewtonin voiman hiukkasella, jonka massa oli hieman alle puoli milligrammaa. Attonewton on newtonin miljardisosa, voiman standardiyksikkö.

Tutkijat sanoa teos voisi "avaa enemmän salaisuuksia maailmankaikkeuden kudoksesta" ja voi olla tärkeä askel kohti seuraavaa suurta fysiikan vallankumousta.

Mutta miksi se on? Se ei ole vain tulos: se on menetelmä, ja se, mitä siinä sanotaan tiestä eteenpäin, tieteen kriitikoiden mukaan saattaa olla loukussa. nousevat kustannukset ja pienenevät tuotot.

Painovoima

Fyysikon näkökulmasta painovoima on erittäin heikko voima. Tämä saattaa tuntua oudolta sanotukselta. Se ei tunnu heikolta, kun yrität nousta sängystä aamulla!

Silti verrattuna muihin tuntemiimme voimiin - kuten sähkömagneettiseen voimaan, joka on vastuussa atomien sitomisesta yhteen ja valon tuottamiseen, sekä vahvaan ydinvoimaan, joka sitoo atomien ytimiä - painovoima vetoaa kohteiden välillä suhteellisen heikosti.

Ja pienemmässä mittakaavassa painovoiman vaikutukset heikkenevät ja heikkenevät.

Painovoiman vaikutukset tähden tai planeetan kokoisille kohteille on helppo havaita, mutta pienien, kevyiden esineiden painovoimavaikutuksia on paljon vaikeampi havaita.

Tarve testata painovoimaa

Vaikeuksista huolimatta fyysikot haluavat todella testata painovoimaa pienissä mittakaavassa. Tämä johtuu siitä, että se voisi auttaa ratkaisemaan vuosisadan vanhan mysteerin nykyisessä fysiikassa.

Fysiikkaa hallitsee kaksi erittäin onnistunutta teoriaa.

Ensimmäinen on yleinen suhteellisuusteoria, joka kuvaa painovoimaa ja aika-avaruutta suuressa mittakaavassa. Toinen on kvanttimekaniikka, joka on teoria hiukkasista ja kentistä - aineen perusrakennuspalikoista - pienessä mittakaavassa.

Nämä kaksi teoriaa ovat jollain tapaa ristiriitaisia, eivätkä fyysikot ymmärrä, mitä tapahtuu tilanteissa, joissa molempia pitäisi soveltaa. Yksi modernin fysiikan tavoitteista on yhdistää yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka "kvanttigravitaation" teoriaksi.

Yksi esimerkki tilanteesta, jossa kvanttipainovoimaa tarvitaan, on mustien aukkojen täydellinen ymmärtäminen. Nämä ovat yleisen suhteellisuusteorian ennustamia – ja olemme havainneet valtavia avaruudessa – mutta pieniä mustia aukkoja voi syntyä myös kvanttimittakaavassa.

Tällä hetkellä emme kuitenkaan osaa yhdistää yleistä suhteellisuusteoriaa ja kvanttimekaniikkaa antaaksemme selville, kuinka gravitaatio ja siten mustat aukot toimivat kvanttimaailmassa.

Uusia teorioita ja uutta dataa

Kvanttigravitaation potentiaaliseen teoriaan on kehitetty useita lähestymistapoja, mukaan lukien säieteoria, silmukan kvanttigravitaatioja kausaalijoukkoteoria.

Nämä lähestymistavat ovat kuitenkin täysin teoreettisia. Meillä ei tällä hetkellä ole mitään tapaa testata niitä kokein.

Näiden teorioiden empiiriseksi testaamiseksi tarvitsemme tavan mitata painovoimaa hyvin pienissä mittakaavassa, jossa kvanttivaikutukset hallitsevat.

Viime aikoihin asti tällaisten testien suorittaminen oli mahdotonta. Näytti siltä, ​​että tarvitsemme erittäin suuria laitteita: jopa suurempia kuin maailman suurin hiukkaskiihdytin, Large Hadron Collider, joka lähettää korkean energian hiukkasia zoomailemaan 27 kilometrin silmukan ympärille ennen kuin ne rikkovat ne yhteen.

Pöytäkokeet

Tästä syystä viimeaikainen pienimuotoinen painovoimamittaus on niin tärkeä.

Alankomaiden ja Britannian yhteisesti tehty kokeilu on "pöytäkoe". Se ei vaatinut massiivisia koneita.

Kokeilu toimii kelluttamalla hiukkasta magneettikentässä ja sitten heilauttamalla painoa sen ohi nähdäkseen kuinka se "heiluu" vastauksena.

Tämä on analogista tapaan, jolla yksi planeetta "heiluu" heiluessaan toisen ohi.

Levitoimalla hiukkasta magneeteilla se voidaan eristää monista vaikutuksista, jotka tekevät heikkojen gravitaatiovaikutusten havaitsemisen niin vaikeaksi.

Tällaisten pöytäkokeiden kauneus on se, että ne eivät maksa miljardeja dollareita, mikä poistaa yhden tärkeimmistä esteistä pienimuotoisten painovoimakokeiden suorittamiselta ja mahdollisesti edistymiseltä fysiikan alalla. (Viimeisin ehdotus Large Hadron Colliderin suurempaa seuraajaa varten olisi maksaa $ 17 miljardia.)

Töitä tehtävänä

Pöytäkokeet ovat erittäin lupaavia, mutta työtä on vielä tehtävänä.

Äskettäinen kokeilu on lähellä kvanttialuetta, mutta ei aivan pääse sinne. Mukana olevien massojen ja voimien on oltava vielä pienempiä, jotta saadaan selville, kuinka painovoima toimii tässä mittakaavassa.

Meidän on myös varauduttava siihen mahdollisuuteen, että pöytäkokeiluja ei ehkä voida viedä näin pitkälle.

Saattaa silti olla teknologinen rajoitus, joka estää meitä suorittamasta painovoimakokeita kvanttimittakaavassa, mikä työntää meidät takaisin kohti suurempien törmäyslaitteiden rakentamista.

Takaisin teorioihin

On myös syytä huomata, että jotkut kvanttigravitaation teorioista, joita voitaisiin testata pöytäkokeilla, ovat hyvin radikaaleja.

Jotkut teoriat, kuten silmukan kvanttigravitaatio, ehdottavat tila ja aika voivat kadota hyvin pienissä mittakaavassa tai suurilla energioilla. Jos se on oikein, kokeita ei ehkä ole mahdollista suorittaa näissä mittakaavassa.

Loppujen lopuksi kokeet sellaisina kuin me ne tunnemme ovat asioita, jotka tapahtuvat tietyssä paikassa, tietyn ajanjakson aikana. Jos tällaiset teoriat pitävät paikkansa, meidän on ehkä harkittava uudelleen kokeilun luonnetta, jotta voimme ymmärtää sitä tilanteissa, joissa tila ja aika puuttuvat.

Toisaalta se tosiasia, että voimme suorittaa yksinkertaisia ​​​​kokeita painovoiman kanssa pienissä mittakaavassa, voi viitata siihen, että tila ja aika ovat kuitenkin läsnä.

Mikä osoittautuu todeksi? Paras tapa saada se selville on jatkaa pöytäkokeiluja ja työntää niitä niin pitkälle kuin mahdollista.

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

Kuva pistetilanne: Garik Barseghyan / Pixabay

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2024/03/04/gravity-experiments-on-the-kitchen-table-why-a-tiny-tiny-measurement-may-be-a-big-leap-forward-for-physics/