Physiker haben eine Möglichkeit entdeckt, die Schwerkraft auf einer Quantenskala zu messen: ScienceAlert

Indem sie auf ein kleines Teilchen einwirkten, das in einer Magnetfalle schwebte, haben Physiker die kleinste jemals aufgezeichnete Gravitationskraft gemessen.

Das Partikel wog nur 0,43 Gramm. Die auf die Waage wirkende Schwerkraft war attonewtons (10^-18Newton). Dies ist klein genug, um am Rande des Quantenbereichs zu liegen, was die Möglichkeit eröffnet, herauszufinden, wie klassische Physik und Quantenmechanik interagieren.

„Seit einem Jahrhundert versuchen Wissenschaftler, zu verstehen, wie Schwerkraft und Quantenmechanik zusammenarbeiten.“ sagt der Physiker Tim Fox von der Universität Leiden und der University of Southampton, der die Forschung leitete.

„Es ist uns nun gelungen, Gravitationssignale bei der kleinsten jemals aufgezeichneten Masse zu messen, was bedeutet, dass wir dem Verständnis, wie sie zusammenwirken, einen Schritt näher gekommen sind.“

Das Problem der Quantengravitation lässt sich vielleicht am besten als unlösbar beschreiben, zumindest bisher. Es geht um unseren Rahmen zur Erklärung des Universums.

Die klassische Physik – die Schwerkraft – erklärt, wie die Dinge auf den meisten Skalen funktionieren. Wenn man sehr klein wird, bis hin zu atomaren und subatomaren Maßstäben, kann die Schwerkraft nicht mehr erklären, was wir sehen.

Deshalb nutzen Physiker die Quantenmechanik, und das ist großartig. Aber genauso wie die klassische Physik nicht auf Quantenskalen angewendet werden kann, funktioniert die Quantenmechanik nicht auf klassischen Skalen. Doch irgendwie funktioniert das Universum. Dies lässt Wissenschaftler vermuten, dass noch keine Lösung zwischen den beiden Rahmenwerken gefunden werden muss.

Eine mögliche Möglichkeit, das Problem zu untersuchen, besteht darin, die Schwerkraft auf sehr kleinen Skalen zu untersuchen. Dies ist jedoch schwieriger als es scheint: Die Schwerkraft ist überall im Universum und es ist nicht einfach, ein Quantenskalensignal in der Gravitationsumgebung der Erde zu extrahieren.

Um dieses Dilemma zu umgehen, nutzten Fuchs und sein Team eine sogenannte supraleitende Magnetfalle. Eine kleine Falle aus Tantal wird auf eine kritische Temperatur von 4,48 K (-268,67 °C oder -451,6 °F) abgekühlt.

In der Kammer werden Partikel angehoben. Dieses besteht aus drei 0,25 mm Neodym-Magnetfelder Eine Glaskugel mit einem Durchmesser von 0,25 mm wird zu einem einzelnen Partikel mit einer Masse von etwa 0,43 Gramm zusammengeklebt.

Das Gerät ist an Federn in einem kollektiven Federsystem aufgehängt, um das Experiment vor externen Vibrationen zu schützen, und der Kryostat ist auf Luftdämpfern platziert, um Vibrationen aus dem Gebäude zu reduzieren.

Schließlich wurde ein elektrisch betriebenes Rad mit einem Satz aus drei 2,45 kg schweren Kupferblöcken platziert, um den Schwerkraftgradienten zu erzeugen. Dies erzeugte eine messbare Wirkung auf das Teilchen – eine Gravitationskraft von nur 30 Tonnen.

Es ist der kleinste Maßstab, in dem Physiker die Schwerkraft gemessen haben, und übertrifft damit einen Rekord, der erst vor drei Jahren von zwei 90-Milligramm-Goldkugeln aufgestellt wurde.

Forscher sagen, dass dies nur der erste Schritt ist. Nachdem sie nun die Wirksamkeit ihres Experiments bewiesen haben, wollen sie es noch weiter vorantreiben.

„Von hier aus werden wir mit dieser Technik beginnen, die Größe der Quelle zu reduzieren, bis wir auf beiden Seiten die Quantenwelt erreichen.“ Sagt Fox. „Durch das Verständnis der Quantengravitation können wir einige der Rätsel unseres Universums lösen – etwa wie es begann, was im Inneren Schwarzer Löcher passiert oder alle Kräfte in einer großen Theorie vereinen.“

Es wird immer noch mehr zu tun geben, aber jetzt haben wir das Gefühl, dass die Antworten nur einen Quantensprung entfernt sind.

Die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Fortschritt der Wissenschaft.