Physik-Durchbruch: Anziehungskraft eines halben Sandkorns gemessen
Die vier Grundkräfte des Universums - Gravitation, Elektromagnetismus sowie die starke und schwache Kernkraft - sind uns im täglichen Leben am vertrautesten. Gravitation ist jedoch die einzige Kraft welche wir derzeit nicht mit dem Standardmodell der Teilchenphysik und unserem besten System zur Beschreibung des Universums erklären können.
Wenn eine Quantentheorie der Gravitation existiert, dann würden Hinweise auf den winzigsten Skalen in Gravitationswechselwirkungen zwischen Atomen und Teilchen versteckt sein. Die Schwierigkeit besteht allerdings darin, diese winzigen Wechselwirkungen von dem immensen gravitativen Einfluss der Erde überlagert werden.
Jetzt haben Wissenschaftler an der Universität Southampton einen neuen Experimenttyp entwickelt, der die Erdanziehungskraft neutralisieren kann, um Gravitationswechselwirkungen zwischen kleinen Objekten zu enthüllen. Der Trick: ein magnetisches Teilchen in einer supraleitenden Falle schweben lassen um es von externen elektromagnetischen Einflüssen, Wärme und Vibration zu isolieren um dann ein 2,4-kg-Gewicht an einem Rad vorbeizuschwingen, welches das Teilchen bewegt.
Das Team maß tatsächlich einen schwachen Gravitationsanziehung von nur 30 Attonewton (aN), der auf dieses Teilchen wirkte, wenn das größere Gewicht ihm am nächsten war. Mit einem Gewicht von nur 0,43 Milligramm ist es das bisher kleinste Messobjekt für die Schwerkraft.
Diese winzige Messung rückt die Welt näher an den Quantenbereich heran. Wenn die Gravitation an derart winzigen Objekten gemessen werden kann, könnten Wissenschaftler endlich damit beginnen diese seltsame Kraft in ihre Modelle des Universums zu integrieren und eine angemessene Theorie von Allem zu entwickeln.
"Seit einem Jahrhundert versuchen Wissenschaftler, zu verstehen, wie Gravitation und Quantenmechanik zusammenarbeiten", sagte Tim Fuchs, Hauptautor der Studie. "Da wir jetzt erfolgreich die Gravitationssignale bei der bisher geringsten aufgezeichneten Masse gemessen haben, sind wir einen Schritt näher daran, endlich zu verstehen, wie sie zusammenwirken. Von hier aus werden wir die Quelle mit dieser Technik so lange verkleinern, bis wir die Quantenwelt auf beiden Seiten erreichen. Durch das Verständnis der Quantengravitation könnten wir einige der Rätsel unseres Universums lösen - wie es entstanden ist, was in Schwarzen Löchern passiert oder alle Kräfte in eine große Theorie vereinen."
Quelle:
Tim M. Fuchs et al., Measuring gravity with milligram levitated masses. Sci. Adv. 10, eadk2949(2024). DOI:10.1126/sciadv.adk2949