Ученые измерили самую слабую гравитацию в истории

Физики измерили силу гравитационного притяжения божьей коровки (точнее, объекта с аналогичной массой: 90 миллиграммов). Это самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная в эксперименте.

Напомним, что всё многообразие сил в природе сводится к четырём фундаментальным взаимодействиям между элементарными частицами: сильному, слабому, электромагнитному и гравитационному. При этом частицы вступают в сильное и слабое взаимодействие, только если сближаются на расстояния, сравнимые с размерами самих частиц. Так что в быту мы имеем дело с проявлением только электромагнитных и гравитационных сил.

Несмотря на то, что одно из взаимодействий называется слабым, на самом деле именно гравитация – “самое слабое звено” всей четвёрки. Каждый видел, как электромагнитные силы притягивают магнит к железу. Но никто никогда не замечал, чтобы чашки на его столе собрались в кучку под действием гравитации.

Легко понять, почему это так, воспользовавшись законом всемирного тяготения. Он гласит, что два тела массой в один килограмм на расстоянии один метр притягивают друг друга с ничтожной силой: порядка 10-11 ньютона. Она сравнима с весом пылинки и, конечно, не может сдвинуть с места никакой предмет без специально созданных условий. Только наша огромная планета притягивает нас так, что мы можем разбить нос, споткнувшись.

Впрочем, верен ли закон всемирного тяготения для тел массой в килограмм? А в доли грамма? Ещё недавно мы просто не знали этого. Техника не позволяла измерять столь малые силы. Так что учёным приходилось “верить на слово” формуле, экспериментально проверенной для более значительных масс.

Между тем физики давно знают, что закон всемирного тяготения – не истина в последней инстанции. Для достаточно массивных объектов он перестаёт работать, уступая место общей теории относительности Эйнштейна. Её эффекты приходится учитывать даже при работе навигационных спутников в гравитационном поле Земли.

А вдруг лёгкие тела тоже притягивают друг друга по иному закону, чем установленный когда-то Исааком Ньютоном? Вдруг на малых масштабах начинает проявлять себя неуловимая тёмная материя, таинственная тёмная энергия, а то и квантовая природа гравитации? Подобное открытие стало бы одним из величайших в истории физики.

Физики измеряли притяжение между двумя золотыми шариками, один из которых был закреплён на конце крутильного маятника.
Фото Tobias Westphal, University of Vienna.

Неудивительно, что учёные упорно совершенствуют технику эксперимента, чтобы измерять притяжение как можно более лёгких объектов. Впервые гравитационное притяжение между двумя сравнительно небольшими телами измерил Генри Кавендиш в далёком 1797 году. Тщательно поставленный опыт позволил ему зафиксировать притяжение свинцового шара массой 160 килограммов. На протяжении веков физики увеличивали точность измерений, постепенно дойдя до масс в считанные килограммы.

Авторы нового исследования совершили прорыв, измерив силу тяготения, создаваемую золотым шариком массой 90 миллиграммов (как у божьей коровки) и диаметром два миллиметра. Он притягивал два таких же шарика, укреплённых на концах стеклянного стержня длиной четыре сантиметра и толщиной полмиллиметра. Этот стержень был подвешен на стекловолоконной нити диаметром несколько тысячных долей миллиметра, так что получился крутильный маятник. Придвигая золотой шарик к крутильному маятнику или отодвигая от него, исследователи меняли силу притяжения между ними. Из-за этого маятник немного поворачивался.

Эта схема очень напоминает эксперимент Кавендиша с поправкой на масштабы. На сей раз смещение маятника составляло лишь несколько миллионных долей миллиметра и отслеживалось с помощью лазера. Экспериментаторы признаются, что даже проходящие мимо лаборатории пешеходы создавали помехи в чувствительном оборудовании, так что лучшие результаты получались в рождественские праздники и по ночам.

На сей раз эпохального открытия не случилось: эксперимент полностью подтвердил справедливость классической формулы Исаака Ньютона. Но исследователи уже планируют измерить силу тяготения объектов, которые в тысячи раз легче упомянутой золотой сферы. И кто знает, не ожидают ли их на этом пути самые удивительные находки.