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Os pesquisadores medem a gravidade que o corpo exerce a 90 miligramas

Mais Zoom / Configuração experimental.

Tobias Westphal / Universidade de Viena

A gravidade pode parecer uma das forças mais familiares, mas na verdade está entre aquelas que não entendemos com muita frequência. Sabemos que o modelo gravitacional atual é incompatível com a mecânica quântica. Também falha em explicar o fenômeno que chamamos de matéria escura e energia escura. Infelizmente, estudar a gravidade é muito difícil porque é a mais fraca das forças. Para contornar esse problema de detecção de ondas gravitacionais, tivemos que construir dois observatórios massivos, distantes o suficiente para que o ruído que afetava um não fosse capturado pelo outro.

As ondas gravitacionais que detectamos vêm de objetos massivos, como estrelas de nêutrons e buracos negros. Agora, pesquisadores em Viena anunciaram progressos na descoberta da força gravitacional produzida por pequenos objetos – neste caso, bolas de ouro de apenas 2 milímetros de largura e pesando menos de um décimo de grama. Seu trabalho fornece a primeira medida de atratividade nessas escalas, e os pesquisadores têm certeza de que podem ficar menores.

É muito barulhento

O trabalho em questão inclui um dispositivo bastante típico para esses tipos de experimentos. Inclui uma barra de aço com uma bola de ouro presa em cada extremidade. A fita é suspensa em seu ponto central, o que permite que ela gire livremente em torno do plano horizontal. Há também um espelho colocado no centro, que é usado para refletir o laser.

Se um bloco se aproximar de uma das bolas douradas, ele exercerá uma força de gravidade que puxará a bola em sua direção. A rotação resultante irá girar o espelho junto com ele, mudando onde o laser é refletido. Isso cria uma escala muito sensível de atração gravitacional da massa. Ou será, se o ruído ambiental não abafar tudo.

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O catálogo de fontes de ruído que os autores devem levar em conta é incompreensível. Em primeiro lugar, os pesquisadores estimam que a força da gravidade que estão tentando medir também pode ser produzida por uma pessoa caminhando a 3 metros do dispositivo experimental ou pelo bonde de Viena viajando a 50 metros dele. Finalmente, eles conduziram o experimento à noite durante as férias de inverno para reduzir as fontes perdidas de interferência gravitacional, que tinham o efeito adicional de reduzir o ruído sísmico local.

Todo o experimento foi realizado dentro de um vácuo, e eles encontraram pés de borracha que permanecem macios no vácuo para amolecer a estrutura que segura a haste de metal suspensa.

Antes de puxar o vazio para o experimento, os pesquisadores encharcaram o dispositivo com nitrogênio ionizado para remover quaisquer cargas perdidas. Caso isso ocorresse, eles colocaram um escudo de Faraday entre duas bolas douradas para evitar qualquer atração eletrostática.

Embora tudo isso mantivesse o ruído do experimento extremamente baixo, o sinal de tração entre duas esferas de 90 miligramas de ouro também seria extremamente baixo. Então, em vez de apenas medir a tensão, os pesquisadores moveram a bola em um padrão regular e estabeleceram uma gravidade ressonante constante para frente e para trás. A frequência dessa ressonância foi cuidadosamente escolhida para ser muito diferente da ressonância normal do pêndulo formado pela fita.

Pequenos poderes

Todo o comportamento da configuração é monitorado por uma câmera de vídeo monitorando constantemente a posição dos dois campos dourados. Durante o experimento, a separação variou de 2,5 mm a 5,8 mm. No geral, os pesquisadores estimam que seu sistema é capaz de obter acelerações tão pequenas quanto 2 x 10-11 Metros / segundo2, Embora demore cerca de meio dia de monitoramento para fazer isso.

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Em geral, a força da gravidade aqui era em torno de 9 x 10-14 Newton. Os pesquisadores também usaram seus resultados para derivar a constante gravitacional. Embora isso acabe sendo em grande parte o caso (9 por cento), ainda está dentro das incertezas da medição empírica.

O resultado é uma conquista técnica impressionante. Mas os pesquisadores acreditam que 90 mg, na verdade, está no lado pesado das coisas que podem ser medidas dessa maneira. E à medida que as coisas ficam mais claras, há algumas coisas terrivelmente estranhas que podem ser testadas.

Por exemplo, como mencionado acima, nossa teoria da gravidade é incompatível com a mecânica quântica. Mas conseguimos fazer com que sistemas maiores se comportassem como seres quânticos. Se obtermos essas medições suficientemente sensíveis, pode ser possível medir a gravidade de um objeto que está em uma superposição quântica entre dois locais. Em outras palavras, não há como saber exatamente onde ele está, enquanto a força da gravidade que ele exerce ao mesmo tempo depende de sua localização.

Outros testes potenciais incluem algumas variantes da teoria das cordas, dinâmica newtoniana modificada (MOND, uma alternativa hipotética e impopular à matéria escura) e algumas explicações para a energia escura. Mas tudo isso dependerá inteiramente dessa configuração experimental operando em massas muito menores do que a escala do miligrama. Portanto, como primeiro passo, será importante para os pesquisadores por trás deste trabalho mostrar que eles têm pelo menos alguma habilidade prometida para reduzi-lo.

Nature, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03250-7 (Sobre DOIs)