Onderzoekers komen dichter bij de theorie van de kwantumzwaartekracht nadat ze de zwaartekracht op microscopisch niveau hebben gemeten

Een groep onderzoekers is er voor het eerst in geslaagd de zwaartekracht op microscopisch niveau te meten, met behulp van een apparaat op basis van supergeleiders, waarin magnetische velden worden geïnduceerd. Hoewel het fenomeen zwaartekracht voor veel gewone en kosmische objecten kan worden waargenomen en geëvalueerd, is het nog niet op deeltjesniveau gemeten. Deze vooruitgang zal waarschijnlijk leiden tot de ongrijpbare theorie van de kwantumzwaartekracht, en zo veel mysteries op kosmisch en subatomair niveau helpen ophelderen.

Volgens Einsteins relativiteitstheorie is de zwaartekracht herhaaldelijk bevestigd door laboratoriumexperimenten en observaties van massieve kosmische objecten, zoals zwarte gaten. Het is echter nooit gemeten op objecten van deeltjesgrootte, die de Planck-massa (de maximale deeltjesmassa, ongeveer 22 microgram) niet overschrijden.

Metingen van de zwaartekracht uit klassieke bronnen stellen ons echter niet in staat kwantumtoestanden te bestuderen. Dit komt omdat deeltjes en krachten op microscopisch niveau anders op elkaar inwerken dan op grotere objecten. Dit betekent dat de kwantumcoherentie (het vermogen van een systeem om tegelijkertijd in meerdere toestanden te bestaan) afneemt naarmate de omvang van het systeem toeneemt.

Als gevolg hiervan bestaat er, hoewel drie van de vier fundamentele krachten van het universum (elektromagnetisme, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht) elk hun eigen kwantumversie hebben, nog geen theorie over de vierde kracht: de zwaartekracht. Einstein zelf zei dat er geen realistisch experiment bestaat om de kwantumversie van de zwaartekracht te meten. ” Een eeuw lang hebben wetenschappers tevergeefs geprobeerd te begrijpen hoe zwaartekracht en kwantummechanica samenwerken “, legt Tim M. Fox uit in een Ik heb gerapporteerd Van de Universiteit van Southampton (Engeland).

Met collega's van de Universiteit Leiden (in Nederland) en het Instituut voor Fotonica en Nanotechnologie van de Bruno Kessler Foundation (in Italië) stelt Fuchs een nieuwe aanpak voor die het mogelijk zou kunnen maken om uit deze theorie te putten. ” Het is belangrijk om de zwaartekracht als koppelkracht voor kleine objecten zoveel mogelijk te isoleren. Dat betekent dat we zwaartekrachten en hun interacties heel precies moeten meten. Dit is wat het onderzoeksteam voorstelde in hun nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Vooruitgang van de wetenschap.

Experimenten gebaseerd op magnetisch levitatiesysteem

Onlangs hebben apparaten op basis van mechanische levitatiesystemen het mogelijk gemaakt om uiterst gevoelige metingen van zeer zwakke krachten uit te voeren. Ze kunnen daarom worden gebruikt om kwantumkrachten op microscopische massaschalen te evalueren. Deze technieken zijn echter relatief beperkt als het gaat om het evalueren van microscopische kwantumtoestanden. In optische levitatiesystemen vormt de verwarming van de gevangen laser bijvoorbeeld de belangrijkste bron van ruis, die de kwantumcoherentie aanzienlijk kan verstoren.

Om deze moeilijkheden te overwinnen en de zwaartekracht als koppelkracht voor microscopische objecten goed te isoleren, kozen de onderzoekers in de nieuwe studie voor een magnetisch levitatiesysteem (waarmee een object kan worden opgetild met behulp van een magnetisch veld). De extreem lage demping van dit type systeem, gecombineerd met de relatief hoge massa en werking in cryogene, geluidsarme omgevingen, maakt het bijzonder geschikt voor de kwantummechanica. Met andere woorden: de kwantumcoherentie wordt sterk ontspannen door magnetische levitatie.

Het apparaat van het Fox-team bestaat uit een reeks supergeleiders die worden ondersteund door magnetische velden (vangende moleculen), ultragevoelige detectoren en een geavanceerd isolatiesysteem bestaande uit meertrapsveren en een koelsysteem. ” Onze nieuwe technologie, die cryogene temperaturen en apparaten omvat om deeltjestrillingen te isoleren, is waarschijnlijk de weg vooruit voor het meten van de kwantumzwaartekracht. », legt de deskundige uit.

Het experiment omvatte het optillen van een submillimeterdeeltje tot een temperatuur van -273 graden Celsius (een paar honderdsten van een graad boven het absolute nulpunt), de hypothetische temperatuur waarbij alle atomaire beweging stopt. Zoals Fuchs uitlegde, maakt deze temperatuur het mogelijk om deeltjesoscillaties te beperken, zodat de zwaartekracht nauwkeurig kan worden gemeten. Uit de resultaten bleek dat een deeltje van 0,43 milligram een ​​aantrekkingskracht van 30 Newton kan genereren.

Volgens deskundigen zouden deze resultaten kunnen helpen bij het identificeren van het ontbrekende stukje van de puzzel dat leidt tot de theorie van de kwantumzwaartekracht. De volgende stap zal met name bestaan ​​uit het reproduceren van het experiment op steeds kleinere deeltjes, totdat kwantumzwaartekracht is bereikt. ” Nu we met succes zwaartekrachtsignalen hebben gemeten bij de kleinste massa ooit gemeten, betekent dit dat we eindelijk een stap dichter bij het begrip zijn hoe dit gebeurt [les 2 formes de gravité] Werkt samen “, stelt Fox voor. In plaats daarvan stelt hij voor om alle theorieën die de werkende krachten verklaren, te verenigen in één grote theorie, die het volgens hem mogelijk zal maken om de meest mysterieuze verschijnselen in het universum te begrijpen, inclusief wat er in zwarte gaten gebeurt.

bron : Vooruitgang van de wetenschap