Hvordan en mariehøne vrider rum-tid

Forskere ved universitetet i Wien og det østrigske videnskabsakademi, ledet af Markus Aspelmeyer er det lykkedes at måle tyngdefeltet i en guldkugle, kun 2 mm i diameter, ved hjælp af et meget følsomt pendul - og dermed den mindste tyngdekraft. Eksperimentet åbner op for nye muligheder for at teste tyngdelovene på tidligere uopnåede små skalaer. Resultaterne offentliggøres i tidsskriftet Natur .

Tyngdekraften er den svageste af alle kendte kræfter i naturen - og alligevel er den stærkest til stede i vores hverdag. Hver bold vi kaster, hver mønt vi taber - alle objekter tiltrækkes af Jordens tyngdekraft. I et vakuum, alle objekter nær Jordens overflade falder med den samme acceleration:deres hastighed stiger med omkring 9,8 m/s hvert sekund. Tyngdekraftens styrke bestemmes af Jordens masse og afstanden fra midten. På månen, som er omkring 80 gange lettere og næsten 4 gange mindre end Jorden, alle genstande falder 6 gange langsommere. Og på en planet på størrelse med en mariehøne? Objekter ville falde 30 milliarder gange langsommere der end på Jorden. Tyngdekræfter af denne størrelse forekommer normalt kun i de fjerneste områder af galakser for at fange fjerntliggende stjerner.

Et team af kvantefysikere ledet af Markus Aspelmeyer og Tobias Westphal fra Wien Universitet og det østrigske videnskabsakademi har nu demonstreret disse kræfter i laboratoriet for første gang. For at gøre det, forskerne trak på et berømt eksperiment udført af Henry Cavendish i slutningen af ​​1700 -tallet.

I Isaac Newtons tid, man mente, at tyngdekraften var forbeholdt astronomiske objekter som planeter. Det var først ved Cavendish (og Nevil Maskelyne før ham), at det var muligt at vise, at objekter på Jorden også genererer deres egen tyngdekraft. Ved hjælp af en elegant pendul enhed, Det lykkedes Cavendish at måle tyngdekraften frembragt af en blykugle 30 cm høj og veje 160 kg i 1797. Et såkaldt torsionspendel-to masser i enderne af en stang, der er ophængt fra en tynd tråd og fri til at rotere-afbøjes målbart ved blymassens tyngdekraft. I løbet af de kommende århundreder, disse eksperimenter blev yderligere perfektioneret til at måle tyngdekræfter med stigende nøjagtighed.

Wien -teamet har taget denne idé op og bygget en miniatureversion af Cavendish -eksperimentet. En 2 mm guldkugle, der vejer 90 mg, tjener som tyngdekraften. Torsionspendulet består af en glasstang 4 cm lang og en halv millimeter tyk, suspenderet fra en glasfiber et par tusindedele af en millimeter i diameter. Guldkugler af lignende størrelse er fastgjort til hver ende af stangen. "Vi flytter guldkuglen frem og tilbage, skabe et gravitationsfelt, der ændrer sig over tid, "forklarer Jeremias Pfaff, en af ​​forskerne involveret i forsøget. "Dette får torsionspendulet til at svinge ved den særlige excitationsfrekvens."

Bevægelsen, som kun er et par milliontedele af en millimeter, kan derefter læses op ved hjælp af en laser og gør det muligt at drage konklusioner om kraften. Vanskeligheden er at holde andre påvirkninger på bevægelsen så lille som muligt. "Den største ikke-tyngdekraftseffekt i vores eksperiment kommer fra seismiske vibrationer, der genereres af fodgængere og sporvognstrafik omkring vores laboratorium i Wien, "siger medforfatter Hans Hepach:" Vi fik derfor de bedste måledata om natten og i juleferien, da der var lidt trafik. "Andre effekter såsom elektrostatiske kræfter kunne reduceres til niveauer langt under tyngdekraften ved hjælp af et ledende skjold mellem guldmasserne.

Dette gjorde det muligt at bestemme tyngdefeltet for et objekt, der har nogenlunde massen af ​​en mariehøne for første gang. Som et næste trin, det er planlagt at undersøge massernes tyngdekraft tusinder af gange lettere.

Muligheden for at måle gravitationsfelter i små masser og på små afstande åbner nye perspektiver for forskning inden for gravitationsfysik; spor af mørkt stof eller mørk energi kunne findes i tyngdekraftens adfærd, som kunne være ansvarlig for dannelsen af ​​vores nuværende univers. Aspelmeyers forskere er særligt interesserede i grænsefladen med kvantefysik:kan massen gøres lille nok til, at kvanteeffekter kan spille en rolle? Det vil tiden vise. For nu, fascinationen af ​​Einsteins tyngdekraftsteori hersker stadig. "Ifølge Einstein, tyngdekraften er en konsekvens af det faktum, at masser bøjer rumtiden, hvor andre masser bevæger sig, "siger første forfatter Tobias Westphal." Så det, vi faktisk måler her, er, hvordan en mariehøne vrider rum-tid. "