I ricercatori misurano la gravità che il corpo esercita a 90 milligrammi

Ingrandire / Setup sperimentale.

Tobias Westphal / Università di Vienna

La gravità può sembrare una delle forze più familiari, ma in realtà è tra quelle che non capiamo molto spesso. Sappiamo che l’attuale modello gravitazionale è incompatibile con la meccanica quantistica. Inoltre non riesce a spiegare il fenomeno che abbiamo chiamato materia oscura ed energia oscura. Sfortunatamente, studiare la gravità è molto difficile perché è la più debole delle forze. Per aggirare questo problema di rilevamento delle onde gravitazionali, abbiamo dovuto costruire due enormi osservatori, abbastanza distanti tra loro da non poter catturare il rumore che colpisce uno nell’altro.

Le onde gravitazionali che rileviamo provengono da oggetti massicci, proprio come le stelle di neutroni e i buchi neri. Ora, i ricercatori di Vienna hanno annunciato progressi verso la scoperta della forza gravitazionale prodotta da piccoli oggetti – in questo caso, sfere d’oro larghe appena 2 millimetri e di peso inferiore a un decimo di grammo. Il loro lavoro fornisce la prima misura dell’attrattiva su queste scale ei ricercatori sono abbastanza sicuri che possono rimpicciolirsi.

È molto rumoroso

Il lavoro in questione include un dispositivo abbastanza tipico per questi tipi di esperimenti. Include un’asta d’acciaio con una sfera d’oro attaccata a ciascuna estremità. Il nastro è sospeso nel suo punto centrale, che gli consente di ruotare liberamente attorno al piano orizzontale. C’è anche uno specchio posto al centro, che viene utilizzato per riflettere il laser.

Se un blocco si avvicina a una delle palle d’oro, eserciterà una forza di gravità che tira la palla verso di essa. La rotazione risultante farà ruotare lo specchio insieme ad esso, cambiando il punto di riflessione del laser. Questo crea una scala molto sensibile dell’attrazione gravitazionale della massa. O lo sarà se il rumore ambientale non coprirà tutto.

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Il catalogo delle sorgenti di rumore di cui gli autori devono tenere conto è sbalorditivo. Prima di tutto, i ricercatori stimano che la forza di gravità che stanno cercando di misurare potrebbe essere prodotta anche da una persona che cammina a 3 metri dal dispositivo sperimentale o dal tram di Vienna che viaggia a 50 metri da esso. Infine, hanno condotto l’esperimento di notte durante le vacanze invernali per ridurre le fonti vaganti di interferenza gravitazionale, che hanno avuto l’effetto aggiuntivo di ridurre il rumore sismico locale.

L’intero esperimento è stato eseguito all’interno di un vuoto, e hanno trovato piedini in gomma che rimangono morbidi nel vuoto per ammorbidire la struttura che tiene l’asta metallica sospesa.

Prima di trascinare il vuoto nell’esperimento, i ricercatori hanno cosparso il dispositivo con azoto ionizzato per rimuovere eventuali cariche vaganti. Nel caso in cui ciò accadesse, hanno posizionato uno scudo di Faraday tra due palline d’oro per impedire qualsiasi attrazione elettrostatica.

Sebbene tutto ciò mantenga il rumore nell’esperimento estremamente basso, anche il segnale di strappo tra due sfere di 90 milligrammi d’oro sarebbe estremamente basso. Quindi, invece di misurare semplicemente la tensione, i ricercatori hanno spostato la palla in uno schema regolare e hanno impostato una gravità risonante costante avanti e indietro. La frequenza di questa risonanza è stata scelta con cura per essere molto diversa dalla normale risonanza del pendolo formata dal nastro.

Piccoli poteri

L’intero comportamento del setup è monitorato da una videocamera che monitora costantemente la posizione dei due campi d’oro. Durante l’esperimento, la separazione variava da 2,5 mm a 5,8 mm. Nel complesso, i ricercatori stimano che il loro sistema sia in grado di rilevare un’accelerazione fino a 2 x 10-11 Metri / secondo2, Anche se ci vorrà circa mezza giornata di monitoraggio per farlo.

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In generale, la forza di gravità qui era di circa 9 x 10-14 Newton. I ricercatori hanno anche utilizzato i loro risultati per ricavare la costante gravitazionale. Anche se questo finisce per essere in gran parte il caso (9%), è ancora all’interno delle incertezze della misurazione empirica.

Il risultato è un risultato tecnico impressionante. Ma i ricercatori ritengono che 90 mg in realtà si trovi sul lato pesante delle cose che possono essere misurate in questo modo. E man mano che le cose si fanno più leggere, ci sono alcune cose terribilmente strane che possono essere testate.

Ad esempio, come accennato in precedenza, la nostra teoria della gravità è incompatibile con la meccanica quantistica. Ma siamo riusciti a far sì che sistemi più grandi si comportassero come esseri quantistici. Se otteniamo queste misurazioni sufficientemente sensibili, potrebbe essere possibile misurare la gravità di un oggetto che si trova in una sovrapposizione quantistica tra due siti. In altre parole, non c’è modo di sapere dove si trova esattamente, mentre la forza di gravità che esercita contemporaneamente dipende dalla sua posizione.

Altri potenziali test includono alcune varianti della teoria delle stringhe, dinamiche newtoniane modificate (MOND, un’alternativa ipotetica e impopolare alla materia oscura) e alcune spiegazioni per l’energia oscura. Ma tutto ciò dipenderà interamente da questa configurazione sperimentale che opera su masse molto più piccole della scala dei milligrammi. Quindi, come primo passo, sarà importante che i ricercatori dietro questo lavoro dimostrino di avere almeno una certa capacità promessa di ridimensionarlo.

Natura, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03250-7 (A proposito di DOI).

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