Квантовая механика помогла измерить гравитационную постоянную с рекордной точностью

Гравитационное притяжение между любыми двумя объектами прямо пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, умноженному на коэффициент G. Эта формула известна каждому, кто обучался физике в школе. Изначально она была выведена ещё Исааком Ньютоном в XVIII веке, но теперь физики решили измерить значение гравитационной постоянной и взглянуть на неё через призму квантовой механики. Авторы исследования отмечают, что их методика ещё нуждается в доработках, но объединение квантовой механики с классической уже является большим прорывом для фундаментальной науки.
В исследовании, описанном сегодня в журнале Nature, физики измеряли крохотное гравитационное взаимодействие между охлаждёнными атомами рубидия и 516-килограммовым массивов из вольфрамовых цилиндров. Неопределённость в этом измерении составляет 150 частей на миллион, или 0,015%, что лишь немного больше, чем у обычного метода определения гравитационной постоянной, использующего две макроскопические массы.
Обычные технологии измерения G были изобретены ещё в 1798 году Генри Кавендишем. Он поставил эксперимент по вычислению средней плотности Земли. Для опыта учёный использовал крутильные весы и сравнивал маятниковые колебания некоего тела, вызванные силой тяжести нашей планеты. Разумеется, с тех пор точность измерения показателя G выросла, но результаты Кавендиша и современных физиков радикально не отличаются.

Однако учёные давно заметили, что традиционные методы измерения гравитационной постоянной с использованием крутящего момента часто дают противоречивые результаты. Новая методика использует особые свойства частиц вещества, например, способность атомов вести себя как волны.
"Наша методика основана на совершенно других принципах измерения и позволяет исключить традиционные ошибки. Высокая чувствительность наших приборов помогает оценить гравитационную постоянную с очень высокой точностью", — говорит соавтор исследования Гульельмо Тино (Guglielmo Tino) из университета Флоренции в Италии.
В своём эксперименте Тино и его коллеги использовали атомные интерферометры — устройства, которые используют волнообразную природу материи для максимально точного измерения гравитационного ускорения. Такую методику уже применяли физики из Стэнфордского университета в 2007 году, но показатель Тино и его команды оказался в десять раз точнее предыдущего.
Лазерные импульсы направляли поодиночке в облако атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля, что заставляло частицы подлетать вверх (как воду в фонтане), а затем снова "падать" под воздействием гравитации. Импульсы кроме того ввели "волну вещества" каждого атома в суперпозицию двух энергетических состояний, каждое из которых характеризовалось разной скоростью. Полученные "волны" поднимались на разную высоту — от 60 до 90 сантиметров — прежде чем снова "упасть".

Та волна, которая поднимается выше, удалена больше от вольфрамовых цилиндров и, таким образом, испытывает немного другое гравитационное притяжение. Появляющаяся в результате разница может быть измерена, когда "волны материи" рекомбинируют и создают интерференционную картину.
Для того чтобы исключить из системы влияние гравитации Земли, приливных сил Луны и Солнца (меняющихся со временем), исследователи использовали два атомных интерферометра. Показатель получился максимально точным и не менялся при повторных проведениях эксперимента.
Возвращаясь к классическим методам измерения G, стоит отметить, что расхождения в получаемых значениях могут определяться как неизвестной или же пропущенной учёными ошибкой метода, так и тем, что Ньютон был не прав. Возможно, закон всемирного тяготения с теми массами и на тех расстояниях, что используются в лаборатории, работает немного по-другому. Новый независмый и точный метод измерений, разрабатываемый физиками, поможет разобраться в этом вопросе.

Источник: http://www.vesti.ru/