211service.com
Hur man mäter gravitationsfältet för ett kvantobjekt
I slutet av 1700-talet mätte den brittiske vetenskapsmannen Henry Cavendish tyngdkraften mellan två föremål för första gången i ett laboratorium. Föremålen i fråga var blybollar, den ena storleken på en vattenmelon, den andra storleken på en baseboll. Kraften mellan dem, upptäckte han, var liten - ungefär tyngden av ett sandkorn.
Sedan dess har experimenten blivit mer exakta men involverar fortfarande i allmänhet relativt stora föremål – det minsta gravitationsfält som någonsin uppmätts var mellan två cylindrar som vägde 90 gram. Men fält mellan mindre massor är så små att ingen har kommit på ett sätt att mäta dem.
Det ser ut att förändras tack vare Jonas Schmoles och kompisars arbete vid universitetet i Wien i Österrike. De har kommit på ett sätt att mäta gravitationsattraktionen för föremål i millimeterskala som är tre storleksordningar mindre massiva än något som har uppmätts tidigare.
Ett sådant experiment skulle tillåta forskare att undersöka gravitationen på skalor som aldrig tidigare varit möjliga och öppnar dörren till en ny era av experiment som utforskar sambandet mellan gravitation och kvantmekanik för första gången.
Den nya metoden för att mäta gravitationskrafter är i princip enkel. I sitt hjärta utnyttjar den hur små föremål ger resonans när de stöts upprepade gånger. Ett sätt att göra detta är att skära ut små språngbrädor av kisel, så att den elektronik som behövs för att övervaka dem kan byggas in i ett enda chip. Dessa så kallade mikroelektromekaniska enheter har blivit vanliga på senare år – de är tekniken bakom krockkuddar och accelerometrar i till exempel smartphones.
Nu vill Schmole och co använda dem för att mäta gravitationskrafter. Deras idé är att göra en språngbräda och placera en sfär i milligramskala på änden av den. Detta är testmassan vars rörelse under tyngdkraften de hoppas kunna mäta.
Samtidigt placerar de en annan liknande sfär på änden av en stång som kan spärras fram och tillbaka som en kolv. Detta är källmassan som genererar ett rörligt gravitationsfält.
När dessa två sfärer placeras nära varandra bör det resulterande gravitationsfältet skapa en attraktionskraft mellan dem. Det ska dra testmassan på språngbrädan mot källmassan. När källmassan försvinner kommer attraktionen att sjunka, vilket gör att testmassan faller bort.
Det får språngbrädan att vibrera. Och om källmassans rörelse matchar en viss kritisk frekvens kommer språngbrädan att ge resonans, och denna rörelse kan mätas genom att studsa en laser från språngbrädan.
Att justera hur källmassan rör sig fram och tillbaka kommer att tillåta Schmole och co att utforska hur resonansen uppstår och att mäta kraften som orsakar den - gravitationsattraktionen mellan de två kropparna.
Och det är det – ett enkelt sätt att mäta gravitationskraften mellan två milligramstora objekt som är möjligt idag med toppmoderna MEM-enheter.
Naturligtvis finns det några viktiga subtiliteter i experimentet. Till exempel måste testmassan och källmassan isoleras så att den ena rörelsen inte påverkar den andra, utom genom gravitationsattraktion. Det är en betydande utmaning. En annan är att isolera hela enheten från externa vibrationer som kan översvämma signalen av intresse.
Men Schmole och co säger att dessa är hanterbara och att experimentet är ytterst genomförbart. Nuvarande toppmodern teknik bör möjliggöra en proof-of-concept-demonstration för objekt i skala millimeter och tiotals milligram, vilket redan förbättrar strömgränsen för avkänning av gravitationsfältet för en liten källmassa med tre storleksordningar, de säger.
Det är intressant arbete och inte bara på grund av de experimentella utmaningarna. Objekt i millimeterskala ligger nära den skala där kvantmekanikens konstiga lagar blir observerbara. Dessa leder till bisarra fenomen som att ett enda föremål befinner sig på två platser samtidigt.
Den spännande möjligheten som Schmole och co antyder är förmågan att mäta tyngdkraften förknippad med kvantobjekt. Hur kommer gravitationskraften att visa sig när den associeras med ett föremål som finns på två platser samtidigt?
Det är en fråga som många fysiker skulle ge sin högra arm för att veta svaret på. De kanske inte har länge att vänta!
Ref: arxiv.org/abs/1602.07539 : Ett mikromekaniskt prov-of-principexperiment för att mäta gravitationskraften hos milligrammassor