|
Крошечное измерение может стать большим скачком вперед
|
|
|
|
Чуть более недели назад европейские физики объявили, что они измерили силу тяжести в самом маленьком масштабе за всю историю. В ходе умного настольного эксперимента исследователи из Лейденского университета в Нидерландах, Университета Саутгемптона в Великобритании и Института фотоники и нанотехнологий в Италии измерили силу воздействия около 30 аттоньютонов на частицу массой чуть менее половины миллиграмма. Аттоньютон - это миллиардная часть миллиардной доли Ньютона, стандартной единицы силы. Исследователи говорят, что работа может "раскрыть больше секретов о самой структуре Вселенной" и может стать важным шагом на пути к следующей большой революции в физике. Но почему это так? Дело не только в результате: дело в методе и в том, что он говорит о пути развития отрасли науки, которая, по мнению критиков, может оказаться в ловушке растущих затрат и уменьшающейся отдачи. С точки зрения физика, гравитация - чрезвычайно слабая сила. Это может показаться странным. Вы не чувствуете слабости, когда пытаетесь встать с постели утром!
|
|
|
|
Тем не менее, по сравнению с другими силами, о которых мы знаем, — такими как электромагнитное взаимодействие, которое отвечает за связывание атомов вместе и генерирование света, и сильное ядерное взаимодействие, которое связывает ядра атомов, — гравитация оказывает относительно слабое притяжение между объектами. А в меньших масштабах эффекты гравитации становятся все слабее и слабее. Легко увидеть эффекты гравитации для объектов размером со звезду или планету, но гораздо сложнее обнаружить гравитационные эффекты для небольших, легких объектов. Несмотря на трудности, физики действительно хотят проверить гравитацию в малых масштабах. Это потому, что это могло бы помочь разрешить вековую загадку современной физики. В физике доминируют две чрезвычайно успешные теории. Первая - общая теория относительности, которая описывает гравитацию и пространство-время в больших масштабах. Вторая — это квантовая механика, которая представляет собой теорию частиц и полей — основных строительных блоков материи - в малых масштабах.
|
|
|
Эти две теории в некотором смысле противоречат друг другу, и физики не понимают, что происходит в ситуациях, когда должны применяться обе. Одна из целей современной физики - объединить общую теорию относительности и квантовую механику в теорию "квантовой гравитации". Один из примеров ситуации, когда квантовая гравитация необходима для полного понимания черных дыр. Они предсказаны общей теорией относительности — и мы наблюдали огромные черные дыры в космосе, — но крошечные черные дыры также могут возникать в квантовом масштабе. Однако в настоящее время мы не знаем, как объединить общую теорию относительности и квантовую механику, чтобы объяснить, как гравитация и, следовательно, черные дыры работают в квантовой сфере. Был разработан ряд подходов к потенциальной теории квантовой гравитации, включая теорию струн, петлевую квантовую гравитацию и теорию причинных множеств. Однако эти подходы являются полностью теоретическими. В настоящее время у нас нет никакого способа проверить их с помощью экспериментов.
|
|
|
|
Чтобы эмпирически проверить эти теории, нам понадобился бы способ измерения силы тяжести в очень малых масштабах, где доминируют квантовые эффекты. До недавнего времени проведение таких тестов было недоступно. Казалось, нам понадобится очень крупное оборудование: даже больше, чем крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц, Большой адронный коллайдер, который посылает высокоэнергетические частицы по 27-километровой петле, прежде чем столкнуть их друг с другом. Вот почему недавнее мелкомасштабное измерение силы тяжести так важно. Эксперимент, проведенный совместно Нидерландами и Великобританией, является "настольным" экспериментом. Для этого не требовалось массивного оборудования. В ходе эксперимента частица помещается в магнитное поле, а затем мимо нее проходит груз, чтобы посмотреть, как она "покачивается" в ответ. Это аналогично тому, как одна планета "покачивается", когда пролетает мимо другой. Левитируя частицу с помощью магнитов, ее можно изолировать от многих воздействий, которые так затрудняют обнаружение слабых гравитационных воздействий.
|
|
|
|
Прелесть подобных настольных экспериментов в том, что они не стоят миллиарды долларов, что устраняет одно из главных препятствий для проведения маломасштабных гравитационных экспериментов и, возможно, для достижения прогресса в физике. (Последнее предложение о более крупном преемнике Большого адронного коллайдера обойдется нам в 17 миллиардов долларов.) Настольные эксперименты очень многообещающие, но предстоит еще много работы. Недавний эксперимент близок к квантовой области, но не совсем туда попадает. Задействованные массы и силы должны быть еще меньше, чтобы выяснить, как действует гравитация в таком масштабе. Нам также нужно быть готовыми к тому, что, возможно, не удастся продвинуть эксперименты на настольных компьютерах так далеко. Возможно, все еще существуют некоторые технологические ограничения, которые мешают нам проводить эксперименты с гравитацией в квантовых масштабах, подталкивая нас к созданию более крупных коллайдеров.
|
|
|
|
Стоит также отметить, что некоторые теории квантовой гравитации, которые можно было бы проверить с помощью настольных экспериментов, очень радикальны. Некоторые теории, такие как петлевая квантовая гравитация, предполагают, что пространство и время могут исчезать в очень малых масштабах или при высоких энергиях. Если это верно, то может оказаться невозможным проведение экспериментов в таких масштабах. В конце концов, эксперименты в том виде, в каком мы их знаем, - это такие вещи, которые происходят в определенном месте, через определенный промежуток времени. Если подобные теории верны, нам, возможно, потребуется переосмыслить саму природу экспериментов, чтобы мы могли разобраться в них в ситуациях, когда пространство и время отсутствуют. С другой стороны, сам факт, что мы можем проводить простые эксперименты с гравитацией в малых масштабах, может свидетельствовать о том, что пространство и время все-таки существуют. Что окажется правдой? Лучший способ выяснить это - продолжать настольные эксперименты и продвигать их настолько далеко, насколько это возможно.
|
|
|
|
Источник
|
