Ньютон устоял

Тонкие эксперименты по проверке справедливости закона всемирного тяготения Ньютона на микронных масштабах провели физики из Стэнфордского университета

Тонкие эксперименты по проверке справедливости закона всемирного тяготения Ньютона на микронных масштабах провели физики из Стэнфордского университета. Старый добрый закон обратных квадратов подтвердился, а новым экзотическим теориям опять пришлось отправиться на доработку.

Гравитация плохо вписывается в современную физическую картину мира. Если трем остальным известным взаимодействиям - сильному, слабому и электромагнитному - худо-бедно нашлось место в единой квантовой теории, то гравитация к ним никак не клеится, да и отдельную квантовую теорию гравитации до сих пор толком создать не удалось. Гравитационные силы гораздо слабее трех остальных, и почему так устроено, физикам пока не понятно. Гравитационные волны, предсказываемые релятивистской теорией гравитации, которая называется общей теорией относительности, до сих пор не найдены. Галактики и их скопления вращаются неправильно, что заставляет выдумывать темную материю, да и сама вселенная тоже вроде бы расширяется с непонятным ускорением. Короче говоря, оснований для критики закона всемирного тяготения Ньютона набралось с избытком.

И новые теории не заставили себя ждать, благо фантазии физикам-теоретикам не занимать. Их так много, что можно сбиться со счета. Некоторые ученые, например, предполагают, что мы живем в пространстве с большим числом измерений, причем все дополнительные измерения, кроме обычных трех, свернуты в шары очень малых масштабов. Другие считают, что уже на микронных масштабах закон обратных квадратов должен нарушаться, и т. д.

Проверить это крайне трудно. Тепловые шумы, небольшие вибрации или даже слабый паразитный заряд или магнитное поле легко могут исказить результаты эксперимента, повлияв на слабые гравитационные силы. Тем не менее удалось придумать опыт, в котором, как считают авторы, все мешающие эффекты исключены.

Для этого на конце кронштейна 250х50х0,3 мкм из монокристалла кремния была закреплена весящая полтора микрограмма пробная масса из золота размером 54х54х27 мкм. Такой кронштейн с грузом представляет собой высокодобротный резонатор с собственной частотой около трехсот герц. Над золотым грузом, верхняя полированная сторона которого работала как зеркало, расположили световод, срез которого образовал с грузом оптический резонатор Фабри-Перо, что позволило точно измерять его смещение.

Под пробной массой за экраном расположили второй груз, представлявший собой пластину с чередующимися слоями кремния и золота. Пластину с помощью пьезомотора смещали в горизонтальной плоскости с частотой около ста герц так, чтобы под пробным грузом оказывался то кремний, то золото, и их разная масса притягивала пробный груз с разной силой. Переменная сила притяжения вызывала колебания груза, и, измеряя параметры колебаний, можно было судить о силе притяжения грузов. Все устройство помещали в надежный экран, изолирующий от внешних полей, и охлаждали до десяти градусов выше абсолютного нуля, чтобы снизить тепловые шумы. Расстояние между грузами в экспериментах менялось в пределах 4–66 мкм.

Измерения показали, что на этих масштабах заметного отклонения от закона Ньютона не наблюдается. Правда, эксперимент позволяет обнаружить лишь отклонения, которые по крайней мере в десятки, а на меньших расстояниях в миллионы раз сильнее самой гравитации. Но и эти результаты позволяют заметно улучшить точность предыдущих измерений.

Ученые решили не останавливаться на достигнутом. У данного метода измерений есть еще много скрытых резервов для увеличения точности. Можно снизить температуру и тепловые шумы, уменьшить вибрации, улучшить конструкцию маятника и оптики. И как знать, быть может, уже в следующей серии экспериментов Ньютону все-таки придется потесниться.