Tyngdekraftseksperimenter på køkkenbordet:Hvorfor en lille bitte måling kan være et stort spring fremad for fysikken

For lidt over en uge siden annoncerede europæiske fysikere, at de havde målt tyngdekraften på den mindste skala nogensinde.

I et smart bordpladeeksperiment målte forskere ved Leiden University i Holland, University of Southampton i Storbritannien og Institute for Photonics and Nanotechnologies i Italien en kraft på omkring 30 attonewton på en partikel med knap et halvt milligram masse. En attonewton er en milliardtedel af en milliardtedel af en newton, standardkraftenheden.

Forskerne siger, at arbejdet kunne "låse op for flere hemmeligheder om universets selve stof" og kan være et vigtigt skridt mod den næste store revolution inden for fysik.

Men hvorfor er det? Det er ikke kun resultatet:det er metoden, og hvad den siger om en vej frem for en gren af ​​videnskabskritikere siger, kan være fanget i en løkke af stigende omkostninger og faldende afkast.

Tyngekraft

Fra en fysikers synspunkt er tyngdekraften en ekstremt svag kraft. Det kan virke som en mærkelig ting at sige. Det føles ikke svagt, når du prøver at komme ud af sengen om morgenen!

Alligevel, sammenlignet med de andre kræfter, som vi kender til - såsom den elektromagnetiske kraft, der er ansvarlig for at binde atomer sammen og for at generere lys, og den stærke kernekraft, der binder atomernes kerner - udøver tyngdekraften en relativt svag tiltrækning mellem objekter.

Og på mindre skalaer bliver virkningerne af tyngdekraften svagere og svagere.

Det er let at se virkningerne af tyngdekraften for objekter på størrelse med en stjerne eller planet, men det er meget sværere at opdage gravitationseffekter for små, lette objekter.

Behovet for at teste tyngdekraften

På trods af vanskeligheden ønsker fysikere virkelig at teste tyngdekraften i små skalaer. Dette er fordi det kunne hjælpe med at løse et århundrede gammelt mysterium i den nuværende fysik.

Fysikken er domineret af to ekstremt vellykkede teorier.

Den første er generel relativitetsteori, som beskriver tyngdekraft og rumtid i stor skala. Den anden er kvantemekanik, som er en teori om partikler og felter – de grundlæggende byggesten i stof – i små skalaer.

Disse to teorier er på nogle måder modstridende, og fysikere forstår ikke, hvad der sker i situationer, hvor begge burde gælde. Et mål for moderne fysik er at kombinere generel relativitetsteori og kvantemekanik til en teori om "kvantetyngdekraft".

Et eksempel på en situation, hvor der er behov for kvantetyngdekraft, er fuldt ud at forstå sorte huller. Disse er forudsagt af den generelle relativitetsteori – og vi har observeret enorme i rummet – men der kan også opstå små sorte huller på kvanteskalaen.

På nuværende tidspunkt ved vi dog ikke, hvordan vi skal bringe generel relativitetsteori og kvantemekanik sammen for at give en redegørelse for, hvordan tyngdekraften og dermed sorte huller fungerer i kvanteverdenen.

Nye teorier og nye data

Der er udviklet en række tilgange til en potentiel teori om kvantetyngdekraft, herunder strengteori, sløjfekvantetyngdekraft og kausal mængdeteori.

Disse tilgange er dog helt teoretiske. Vi har i øjeblikket ingen mulighed for at teste dem via eksperimenter.

For empirisk at teste disse teorier, ville vi have brug for en måde at måle tyngdekraften på i meget små skalaer, hvor kvanteeffekter dominerer.

Indtil for nylig var det uden for rækkevidde at udføre sådanne tests. Det så ud til, at vi ville få brug for meget store stykker udstyr:endnu større end verdens største partikelaccelerator, Large Hadron Collider, som sender højenergipartikler, der zoomer rundt i en 27 kilometer lang sløjfe, før de smadrer dem sammen.

Bordpladeeksperimenter

Det er grunden til, at den nylige lille måling af tyngdekraften er så vigtig.

Eksperimentet udført i fællesskab mellem Holland og Storbritannien er et "bordplade"-eksperiment. Det krævede ikke massivt maskineri.

Eksperimentet fungerer ved at svæve en partikel i et magnetfelt og derefter svinge en vægt forbi den for at se, hvordan den "vrikker" som reaktion.

Dette er analogt med den måde, en planet "vrikker" på, når den svinger forbi en anden.

Ved at svæve partiklen med magneter kan den isoleres fra mange af de påvirkninger, der gør det så svært at opdage svage gravitationspåvirkninger.

Skønheden ved bordpladeeksperimenter som dette er, at de ikke koster milliarder af dollars, hvilket fjerner en af ​​de vigtigste barrierer for at udføre små tyngdekraftseksperimenter og potentielt for at gøre fremskridt inden for fysik. (Det seneste forslag om en større efterfølger til Large Hadron Collider ville koste 17 milliarder US$.)

Der skal arbejdes

Forsøg på bordplader er meget lovende, men der er stadig arbejde at gøre.

Det seneste eksperiment kommer tæt på kvantedomænet, men når ikke helt dertil. De involverede masser og kræfter skal være endnu mindre for at finde ud af, hvordan tyngdekraften virker på denne skala.

Vi skal også være forberedte på, at det måske ikke er muligt at skubbe bordpladeeksperimenter så langt.

Der kan stadig være nogle teknologiske begrænsninger, der forhindrer os i at udføre tyngdeeksperimenter på kvanteskalaer, hvilket skubber os tilbage mod at bygge større kollidere.

Tilbage til teorierne

Det er også værd at bemærke, at nogle af teorierne om kvantetyngdekraft, der kan testes ved brug af bordpladeeksperimenter, er meget radikale.

Nogle teorier, såsom sløjfekvantetyngdekraften, antyder, at rum og tid kan forsvinde i meget små skalaer eller høje energier. Hvis det er rigtigt, er det måske ikke muligt at udføre eksperimenter på disse skalaer.

Eksperimenter, som vi kender dem, er jo den slags ting, der sker på et bestemt sted, på tværs af et bestemt tidsinterval. Hvis teorier som denne er korrekte, skal vi måske genoverveje eksperimentets natur, så vi kan forstå det i situationer, hvor rum og tid er fraværende.

På den anden side kan det faktum, at vi kan udføre ligefremme eksperimenter, der involverer tyngdekraften i små skalaer, antyde, at rum og tid trods alt er til stede.

Hvilket vil vise sig sandt? Den bedste måde at finde ud af det på er at fortsætte med eksperimenter på bordplader og skubbe dem så langt, som de kan gå.

Leveret af The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.