Оригинальная схема эксперимента, предложенная американскими физиками, позволит изучить гравитационное взаимодействие с высочайшей точностью и на небольших — порядка нанометров — дистанциях. Возможно, при этих условиях проявятся какие-то новые экзотические свойства гравитации.

Из четырех фундаментальных взаимодействий гравитация — самое понятное и доступное нам. Но по странной иронии, для физиков она стала как раз самой трудной для точного научного описания и включения в единую картину. Для объектов космических масштабов, разделенных космическими же расстояниями, влияние ее точно измерено, рассчитано и предсказуемо. Но вот как гравитация ведет себя на микроскопическом уровне, порядка миллионных долей метра, где доминируют обычно электромагнитные силы, известно крайне мало. И, как водится, недостаток знаний стимулирует самые горячие дискуссии и самые разные гипотезы.

Физик из американского Национального института стандартов и технологий (NIST) Эндрю Джерачи (Andrew Geraci) говорит: «Существует масса теорий, предлагающих собственные взгляды на то, как проявляет себя гравитация на таких масштабах. Однако проверить их нелегко, поскольку чрезвычайно сложно сблизить предметы на нужное расстояние и при этом с необходимой точностью измерять их относительное смещение». Именно для этого Джерачи и его команда предложили поставить оригинальный эксперимент.

Для начала следует взять крохотную — порядка 300 нм в диаметре — стеклянную сферу и поместить ее под воздействие пучка лазерного излучения с длиной волны 1,5 мкм. Сфера окажется как бы подвешенной в пределах лазерного луча, что позволяет свести практически к нулю влияние трения. Сфера сможет двигаться вдоль луча, но если диаметр его будет почти совпадать с ее диаметром, не будет его покидать.

Такая схема, известная под названием «оптического захвата» (optical trapping), используется для ряда нанотехнологических задач — скажем, для так называемого «оптического пинцета». Градиент интенсивности излучения затягивает крохотную частицу и удерживает ее почти так, как вертящиеся ураганы увлекают за собой предметы покрупнее.

Движения сферы, не стесненной трением, будут высоко чувствительны к воздействию внешних сил — включая гравитационное влияние какого-нибудь достаточно тяжелого объекта, который может появиться поблизости. Это может быть золотой стержень, который ученые предлагают приблизить к сфере на мельчайшее расстояние — порядка нескольких нанометров, в тысячи раз меньше диаметра человеческого волоса. Под притяжением стержня сфера слегка изменит свое положение, что и можно измерить другим лазерным лучом (длиной волны 1 мкм). Наблюдения за эффектами гравитации будут проведены с такой точностью, с какой этого еще никто и никогда не делал. В сотни тысяч, а то и миллионы раз чувствительнее, чем уже поставленные эксперименты.

Впрочем, продумать схему эксперимента и воплотить ее в реальность — две разные вещи. По мнению авторов, постановка опыта может занять еще несколько лет, хотя бы потому, что потребует разрешения ряда других сложностей. Речь, прежде всего, о том же трении. Конечно, подвешенная в пучке лазера частица испытывает куда меньшее воздействие трения, чем частицы в предыдущих экспериментах, когда их помещали на кончик тончайшей иглы или пружинки. Но и здесь, при такой чувствительности эксперимента, трение дает о себе знать — это и соударения с частицами окружающего газа, и с излучением самого лазера. Все эти влияния экспериментаторам придется учитывать.

Читайте также о том, почему для высокоточных измерений гравитационного поля Земли ученые стали сбрасывать с башни одного университета дорогостоящие приборы: «Уронить, чтобы измерить».

По пресс-релизу NIST