توبياس ويستفال / جامعة فيينا
قد تبدو الجاذبية كواحدة من أكثر القوى المألوفة ، لكنها في الواقع أقل ما نفهمه. نحن نعلم أن نموذج الجاذبية الحالي لا يتوافق مع ميكانيكا الكم. كما أنه يتجاهل الظواهر التي أطلقنا عليها اسم المادة المظلمة والطاقة المظلمة. لسوء الحظ ، دراسة الجاذبية صعبة للغاية لأنها إلى حد بعيد أضعف القوى. للتغلب على مشكلة اكتشاف موجات الجاذبية ، كان علينا بناء مرصدين ضخمين ، متباعدان بدرجة كافية بحيث لا يلتقط الآخر الضوضاء التي تؤثر على أحدهما.
موجات الجاذبية التي اكتشفناها تأتي من أجسام ضخمة تمامًا مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء. أعلن باحثون في فيينا عن إحراز تقدم في اكتشاف قوة الجاذبية الناتجة عن الأجسام الصغيرة – في هذه الحالة ، كرات من الذهب يبلغ قطرها 2 مليمتر فقط ووزنها أقل من عُشر الجرام. يوفر عملهم أول مقياس للجاذبية في هذه المقاييس ، والباحثون على يقين من أنها يمكن أن تكون أصغر.
بصوت عال جدا
يتضمن العمل المعني جهازًا نموذجيًا إلى حد ما لهذا النوع من الخبرة. إنه قضيب صلب به كرة ذهبية متصلة بكل طرف. يتم تعليق الشريط عند نقطته المركزية ، مما يسمح له بالدوران بحرية حول المستوى الأفقي. يوجد أيضًا مرآة موضوعة في نقطتها المركزية ، والتي تستخدم لعكس الليزر.
إذا اقتربت كتلة من إحدى الكرات الذهبية ، فسوف تمارس قوة الجاذبية التي تسحب الكرة باتجاهها. سيؤدي الدوران الناتج عن ذلك إلى دوران المرآة معها ، وتغيير مكان انعكاس الليزر. هذا يخلق مقياسًا حساسًا للغاية لجاذبية الجاذبية الناتجة عن الكتلة. أو ربما لو لم تطغى الضوضاء البيئية على كل شيء.
كتالوج مصادر الضوضاء التي يجب على المؤلفين مراعاتها مذهل. بالنسبة للمبتدئين ، يقدر الباحثون أن قوة الجاذبية التي يحاولون قياسها يمكن أن تنتج أيضًا عن طريق شخص يسير على بعد 3 أمتار من الإعداد التجريبي أو عن طريق ترام فيينا الذي يسافر على مسافة 50 مترًا منه. في النهاية ، أجروا التجربة ليلًا خلال العطلة الشتوية لتقليل المصادر الشاردة لتداخل الجاذبية ، والتي كان لها تأثير إضافي في تقليل الضوضاء الزلزالية المحلية.
تم إجراء التجربة بأكملها داخل فراغ ، ووجدوا أقدامًا مطاطية تبقى ناعمة في الفراغ لتلطيف الهيكل الذي يحافظ على الشريط المعدني معلقًا.
وقبل إخلاء التجربة قام الباحثون بإغراق الجهاز بالنيتروجين المتأين للتخلص من أي شحنة طفيلية. وفي حالة حدوث ذلك ، وضعوا درع فاراداي بين الكرتين الذهبيتين من أجل منع أي جذب إلكتروستاتيكي.
في حين أن كل هذا أبقى ضوضاء التجربة منخفضة للغاية ، فإن إشارة التجاذب بين كرتين من الذهب بحجم 90 ملليغرام ستكون ضعيفة للغاية أيضًا. لذلك ، بدلاً من مجرد قياس الانجذاب ، قام الباحثون بتحريك الكرة في نمط منتظم ، مما خلق جاذبية رنانة مستمرة. تم اختيار تردد هذا الرنين بعناية ليكون مختلفًا تمامًا عن الرنين الطبيعي للبندول الذي يشكله الشريط.
قوى صغيرة
تتم مراقبة سلوك التثبيت بالكامل بواسطة كاميرا فيديو تراقب باستمرار موضع الكرتين الذهبيتين. أثناء التجربة ، تراوح الفصل بينهما من 2.5 ملم إلى 5.8 ملم. بشكل عام ، يقدر الباحثون أن نظامهم قادر على تسريع أقل من 2 × 10-11 متر / ثانية2، على الرغم من أن الأمر سيستغرق حوالي نصف يوم من المراقبة للقيام بذلك.
بشكل عام ، كانت قوة الجاذبية هنا حوالي 9 × 10-14 نيوتن. استخدم الباحثون نتائجهم أيضًا لاشتقاق ثابت الجاذبية. على الرغم من أن هذا الأمر يبدو شاذًا بعض الشيء (9٪) ، إلا أنه يظل ضمن أوجه عدم اليقين في قياساتهم التجريبية.
والنتيجة هي إنجاز تقني رائع. لكن يعتقد الباحثون أن 90 مجم هو في الواقع الجانب الثقيل من الأشياء التي يمكن قياسها بهذه الطريقة. وكلما أصبحت الأشياء أخف ، هناك بعض الأشياء الغريبة بشكل كبير التي يمكن اختبارها.
على سبيل المثال ، كما ذكرنا أعلاه ، فإن نظرية الجاذبية لدينا غير متوافقة مع ميكانيكا الكم. لكننا نجحنا في جعل الأنظمة الأكبر تتصرف مثل الأجسام الكمومية. إذا حصلنا على هذه القياسات الحساسة بدرجة كافية ، فقد يكون من الممكن قياس قوة الجاذبية لجسم موجود في تراكب كمي بين موقعين. بمعنى آخر ، لا توجد طريقة لمعرفة مكانها بالضبط ، بينما تعتمد قوة الجاذبية التي تمارسها في نفس الوقت على مكانها.
تشمل الاختبارات المحتملة الأخرى بعض الاختلافات في نظرية الأوتار ، وديناميات نيوتن المعدلة (MOND ، بديل افتراضي وغير شعبي للمادة المظلمة) ، وبعض التفسيرات للطاقة المظلمة. لكن كل هذا سيعتمد كليًا على هذا الإعداد التجريبي الذي يعمل على كتل بشكل جيد ، أصغر بكثير من مقياس المليغرام. لذلك ، كخطوة أولى ، سيكون من المهم للباحثين الذين يقفون وراء هذا العمل أن يثبتوا أن لديهم على الأقل جزءًا من القدرة الموعودة للتخفيض.
الطبيعة ، 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03250-7 (حول DOIs).
