Китайские физики измерили притяжение шарика в 1,2 грамма

Физики Шанхайского университета Цзяотун зарегистрировали гравитационное воздействие шарика массой 1,2 грамма. Для этого они объединили крутильный маятник с оптическим датчиком, улавливающим почти незаметные смещения.

Шарик диаметром шесть миллиметров легко удержать между пальцами. Но обнаружить его собственное гравитационное притяжение гораздо сложнее, чем взвесить. Земля постоянно тянет всё вокруг, вибрируют столы и стены, а электрические заряды способны создавать помехи сильнее искомого сигнала. Команда исследователей под руководством Вэньцзе Ваня решила эту задачу с помощью света.

Эксперимент построили вокруг крутильного маятника — прибора, известного ещё по опытам Генри Кавендиша XVIII века. Расположенная рядом небольшая масса притягивает его подвижную часть и чуть поворачивает подвес. Китайские физики добавили к маятнику оптический микрорезонатор: стеклянную сферу радиусом 150 микрометров, расположенную рядом с тончайшим оптоволокном. Между ними оставили зазор порядка 100 нанометров. Когда маятник смещался, менялось взаимодействие света в резонаторе с волокном.

Главное усовершенствование связано с так называемым эффектом замедленного света. В особом режиме групповой скорости оптического сигнала внутри системы соответствовало всего около 2000 метров в секунду. Это не означает, что свет в обычном пространстве стал двигаться медленнее. Зато небольшое изменение зазора вызывало заметный сдвиг оптической фазы, который уже можно было измерить.

Шарик массой 1,2 грамма разместили примерно в 4,2 сантиметра от чувствительной части устройства и периодически перемещали. Минимальное различимое изменение гравитационной силы составило 3,02 × 10⁻¹⁶ ньютона. Такая величина показывает чувствительность прибора, а не вес самого шарика. Работа опубликована 29 сентября в рецензируемом журнале Nature Nanotechnology.

Чтобы не принять за гравитацию случайную помеху, исследователи экранировали электрические воздействия, изолировали установку от вибраций и сравнивали шарики одинакового объёма, но разной массы. Физик Ичэн Чжу, первый автор работы, рассказал Phys.org, что сигнал усиливался именно с увеличением массы — как и предсказывает ньютоновская теория. По его словам, дальнейшее повышение точности пока ограничивают вибрации, низкочастотные шумы и нестабильность нанометрового зазора.

Устройство работало при комнатной температуре и атмосферном давлении, без криогенного охлаждения и вакуумной камеры. Исследователи рассматривают такой подход как основу компактных измерителей слабых сил. Однако говорить об открытии новой гравитационной физики рано. Более того, масса 1,2 грамма не является рекордно малой: другая китайская группа 7 октября сообщила в Nature Communications об измерении взаимного притяжения двух кремниевых пластинок массой по 7,6 миллиграмма, используя иную конструкцию крутильных весов.

Разные методы теперь позволяют подбираться к одной проблеме с нескольких сторон: как проверить гравитацию там, где размеры тел становятся сопоставимыми с масштабами квантовых экспериментов. Существование квантовых свойств самой гравитации ни один из этих опытов пока не доказал.

Для таких измерений недостаточно сделать датчик «сильнее»: любое улучшение чувствительности одновременно делает его восприимчивее к шуму. В шанхайской работе прорыв произошёл не в гравитационном источнике, а в способе считывать едва заметное движение. Именно поэтому ключевую роль здесь сыграла оптика.

Фото: редакция ИЗНАНКИ.