Со времен Исаака Ньютона известно, что сила гравитационного притяжения между парой объектов прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Появившаяся в начале ХХ века Общая теория относительности, которая рассматривает гравитацию как геометрические деформации пространства-времени, точнее описывает поведение массивных тем на астрономических масштабах. Но как ведет себя гравитация на противоположной стороне шкалы, на уровне элементарных частиц, — неизвестно.
Даже проверки ньютоновских формул проводят, как правило, с объектами массой порядка килограммов и граммов: их гравитация так мала, что измерить ее крайне непросто. Однако недавно команде Тобиаса Вестфаля (Tobias Westphal) из Австрийской академии наук удалось провести такую работу для золотых сфер массой всего 90 миллиграммов, зарегистрировав гравитационную силу рекордно малой величины. Об этом ученые пишут в статье, опубликованной в журнале Nature.
Схема эксперимента / ©Westphal et al., 2021
В основе экспериментов — схема, изобретенная еще Генри Кавендишем, который таким способом впервые измерил гравитационные взаимодействия между предметами в своей лаборатории. Для этого он закрепил тестовую массу (свинцовый шар) на конце деревянного коромысла, подвешенного за нить, и уравновесил вторым таким же шаром. С тестовым грузом медленно сближался второй, более массивный шар, притяжение которого заставляло коромысло слегка вращаться. Регистрируя закручивание нити, можно было точно оценить величину вращения и рассчитать силу притяжения между массами.
Тестовые массы / ©Tobias Westphal, Arkitek Scientific
Тобиас Вестфаль и его коллеги провели аналогичный эксперимент, тестовыми грузами в котором служили золотые сферы массой всего 90 миллиграммов, закрепленные на миниатюрном стеклянном коромысле и подвешенные на тончайшей кремниевой нити. Отклонение коромысла регистрировали по повороту установленного на нем зеркальца, которое освещалось лазерным лучом. И, конечно, работая на таком уровне точности, ученым пришлось производить эксперименты в глубоком вакууме и тщательно экранировать электромагнитные поля с помощью клетки Фарадея.
Тщательные измерения показали, что формула Ньютона продолжает работать и на масштабе миллиграммовых масс. Рассчитав гравитационную постоянную (G) на основе своих измерений, ученые показали, что она всего на девять процентов отличается от стандартного принятого значения. Но главное — авторы продемонстрировали, что такие измерения в принципе возможны и позволяют регистрировать сверхмалые силы гравитации. Быть может, когда-нибудь они помогут понять их работу и на уровне элементарных частиц.
