В поисках отклонений: как физики проверяют гравитацию в лаборатории 0:00
Физик Брайан Китинг в своем недавнем выпуске подробно разбирает экспериментальные попытки обнаружить отклонения от закона обратных квадратов Ньютона на сверхмалых расстояниях. Основная цель подобных исследований — понять, остается ли гравитация неизменной от космических масштабов до микромира, и выявить потенциальные точки соприкосновения квантовой механики с общей теорией относительности (ОТО). Исследование, проведенное в лаборатории Университета штата Гумбольдт (Humboldt State University, HSU), является развитием классических экспериментов по измерению фундаментальных констант, выходящих за рамки привычных представлений о силе притяжения.
Проблема гравитации на малых масштабах 1:06
Современная физика сталкивается с фундаментальной проблемой: общая теория относительности и квантовая механика на текущий момент остаются математически несовместимыми. Ученые надеются, что при изучении гравитации на предельно малых расстояниях удастся обнаружить «новую физику», которая позволит объединить эти теории в единую «теорию всего».
Закон обратных квадратов Ньютона гласит, что сила притяжения между двумя телами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Однако, как утверждает Китинг, мы не можем быть до конца уверены, что этот закон соблюдается на субатомных или микронных масштабах, так как прямые измерения там крайне сложны из-за колоссальной слабости гравитационного взаимодействия.
Экспериментальный подход: от Кавендиша до современности 3:32
Для проверки гравитации исследователи используют торсионные (крутильные) весы — прибор, работающий по принципу маятника на нити, который закручивается при приближении притягивающей массы. Этот метод восходит к классическим опытам Генри Кавендиша XVIII века, но современные установки, такие как эксперименты Eöt-Wash в Университете Вашингтона, доведены до невероятной точности.
Команда в Университете штата Гумбольдт под руководством профессора Дойла использует модифицированную схему, чтобы проверить параметры потенциальной «пятой силы». Для анализа отклонений используется потенциал Юкавы, который добавляет к ньютоновскому взаимодействию экспоненциально затухающий член. Его поведение описывается двумя параметрами:
- $\lambda$ (лямбда) — характерная длина, на которой проявляется отклонение.
- $\alpha$ (альфа) — амплитуда или сила этого отклонения.
Технологические вызовы и борьба с шумом 7:35
Измерение гравитации в лабораторных условиях — задача, сопряженная с огромным количеством помех. По словам Китинга, даже проходящие мимо здания студенты или обычный дневной перепад температур создают вибрации, которые «чувствует» прибор. Чтобы исключить систематические ошибки, исследователи применяют:
- Вакуумные камеры и магнитное экранирование: для полной изоляции от внешней среды.
- Системы активного выравнивания: использование прецизионных датчиков, способных улавливать наклон аппарата на уровне миллионных долей радиана.
- Температурную компенсацию: автоматическое изменение длины опор установки для нивелирования теплового расширения.
Ключевым инструментом для поддержания стабильности системы является PID-контроллер (пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор). Этот сервомеханизм работает подобно термостату, но с гораздо более сложной математической «настройкой», которая позволяет подавлять нежелательные колебания маятника, возникающие при попытках скорректировать наклон.
Перспективы исследований 11:57
Хотя работа ученых из Университета штата Гумбольдт по уточнению параметров гравитации все еще продолжается, полученные ими данные демонстрируют высокую эффективность систем автоматического контроля. Участница проекта Алисса Джонсон продолжает заниматься экспериментальной физикой, переходя к работе над данными обсерватории Саймонса (Simons Observatory), где она исследует первичные гравитационные волны, используя в качестве своей «лаборатории» уже не стол, а всю Вселенную.
