Университет Сунь Ятсена измерил гравитацию между двумя кремниевыми пластинами по 7,6 мг

Группа под руководством Шань-Цина Яна из Университета Сунь Ятсена (Китай) измерила гравитационное взаимодействие двух кремниевых пластин массой по 7,6 мг, сообщает Nature Communications. В измерениях использовали миниатюрные крутильные весы типа Кавендиша с методом модуляции вращающейся массой при расстояниях от 0,654 до 1,554 мм. Измеренные силы согласуются с предсказаниями Ньютона, максимальная неопределённость составила 50 аН (2σ) nature.comNature Communicationsnature.comОткрыть источник ↗.

Авторы отмечают, что гравитационные эксперименты охватывали пробные массы от макроскопических тел до отдельных квантовых систем, а взаимодействие малых масс остаётся малоисследованным. В 2021 году другая группа измерила притяжение между двумя золотыми шарами массой около 92 мг каждый. Новая работа идёт к меньшим массам и, по словам авторов, является шагом к соединению классического и квантового режимов гравитации.

Крутильные весы с вращающимися массами

Весы изготовлены глубоким травлением кремния. На одном конце подвешенного коромысла находится пробная кремниевая масса 7,6 мг, на другом — противовес. Вместо одной притягивающей массы команда собрала колесо с 16 одинаковыми кремниевыми пластинами по окружности. При вращении колеса каждая пластина поочерёдно проходит рядом с пробной массой.

Колесо делает один оборот за 10 минут, поэтому гравитационное воздействие повторяется 16 раз за оборот. Это даёт периодический сигнал, который можно отделить от фонового шума.

Установка помещена в вакуумную камеру. Тонкая кремниевая мембрана с золотым покрытием между вращающимися массами и весами снижает электростатические помехи. Весам не дают свободно закручиваться: электронная система обратной связи удерживает их почти неподвижными, а измеряется сила, необходимая для этого.

Результат и ограничения

При наименьшем расстоянии ньютоновская сила была рассчитана как 471 аН. Измеренные значения согласуются с законом Ньютона во всём изученном диапазоне расстояний nature.comNature Communicationsnature.comОткрыть источник ↗.

Данные также позволяют ограничить отклонения юкавовского типа от ньютоновской гравитации. По тем же измерениям авторы определили гравитационную постоянную G = 6,67(35) × 10⁻¹¹ м³ кг⁻¹ с⁻² (1σ).

Сам по себе эксперимент не достигает квантового режима. Авторы указывают на другие разрабатываемые подходы, в том числе удержание малых объектов светом или магнитными полями, диапазоны масс которых всё больше пересекаются с экспериментами на крутильных весах. Они пишут, что гравитационное взаимодействие объектов в квантовых состояниях может быть наблюдено в обозримом будущем.