Forscher haben einen Weg gefunden, die Schwerkraft auf mikroskopischer Ebene zu messen, was sie der Formulierung einer Theorie von „Quantengravitation” und bei der Lösung einiger wichtiger kosmischer Rätsel.
Die Quantenphysik bietet Wissenschaftlern die bestmögliche Beschreibung des Universums auf mikroskopischen Skalen, die kleiner als Atome sind. Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie hingegen bietet die beste Beschreibung der Physik auf riesigen kosmischen Skalen. Allerdings fehlt frustrierenderweise etwas, selbst nach 100 Jahren, in denen beide Theorien eine Fülle experimenteller Überprüfungen durchlaufen haben. So mächtig und präzise die beiden zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelten Theorien auch geworden sind, sie weigern sich, sich zu vereinen.
Einer der Hauptgründe für diese besondere Sackgasse ist die Tatsache, dass, während drei der vier Grundkräfte des Universums – die ElektromagnetismusDie starke Atomkraft und das schwache Atomkraft – Quantenbeschreibungen haben, Für die vierte gibt es keine Quantentheorie: die Schwerkraft. Nun ist es einem internationalen Team jedoch gelungen, dieses Ungleichgewicht zu beseitigen Erfolgreiche Entdeckung einer schwachen Anziehungskraft mit einer neuen Technik in ein winziges Teilchen verwandelt. Die Forscher glauben, dass dies der erste vorsichtige Schritt auf dem Weg zu einer Theorie der „Quantengravitation“ sein könnte.
“Seit einem Jahrhundert versuchen Wissenschaftler erfolglos zu verstehen, wie Schwerkraft und Quantenmechanik zusammenarbeiten” sagte Tim Fuchs, Mitglied des Teams und Forscher an der University of Southampton.Durch das Verständnis der Quantengravitation könnten wir einige der Geheimnisse unseres Universums lösen, etwa wie es begann, was in Schwarzen Löchern passiert oder die Vereinigung aller Kräfte in einer großen Theorie“.
Es mag stimmen, dass Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenphysik nicht zusammenpassen, und schließlich war Einstein mit der Quantenphysik nie vertraut. Denn obwohl Letzteres viele widersprüchliche Aspekte aufweist, fand er insbesondere einen äußerst problematisch. Es war ihre Bedeutung Verstrickung. Letzteres hat damit zu tun, Teilchen so zu koordinieren, dass eine Änderung der Eigenschaften eines Teilchens sofort die Eigenschaften eines anderen Teilchens verändert, sogar im gesamten Universum. Einstein hielt diese Qualität für über seine Grenzen hinaus Lokaler Realismus.
Lokaler Realismus ist die Idee, dass Objekte immer bestimmte Eigenschaften haben und dass die Wechselwirkungen zwischen diesen Objekten durch die Entfernung und die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sind, eine universelle Geschwindigkeitsbegrenzung, die von Einstein als Grundlage der Speziellen Relativitätstheorie eingeführt wurde. Die Spezielle Relativitätstheorie ist in der Tat die Theorie, die ursprünglich zur Formulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie führte. Doch trotz Einsteins Einwänden haben Forscher tatsächlich gezeigt, dass Verschränkung und andere widersprüchliche Aspekte der Quantenphysik wahre Elemente der Realität auf subatomaren Skalen sind.
Dieser Beweis wurde mit einer Reihe bahnbrechender Experimente erbracht. Fuchs und seine Kollegen treten beispielsweise in die Fußstapfen von Physikern wie Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger, die 2022 den Nobelpreis für Physik für den experimentellen Nachweis der nichtlokalen Natur der Verschränkung erhielten.
In ihrem neuen Quantenexperiment nutzten die Forscher, darunter Wissenschaftler der University of Southampton, der Universität Leiden und des Institute of Photonics and Nanotechnology supraleitende magnetische „Fallen“ Zu Messen Sie die schwache Anziehungskraft der kleinsten Masse, die jemals auf diese Weise untersucht werden sollte.
Das winzige Teilchen schwebte in der supraleitenden Falle bei Temperaturen von ca -273 Grad Celsius, die nur wenige Zentimeter über dem absoluten Nullpunkt liegt, der hypothetischen Temperatur, bei der alle atomaren Bewegungen aufhören würden. Diese kalte Temperatur war notwendig, um die Partikelvibrationen auf ein Minimum zu beschränken. Das Team zählte schließlich einen Erdanziehungskraft 30 „attoNewton“ pro Teilchen.
Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie gering die Gravitationskraft auf die untersuchten Teilchen war, eins Newton ist definiert als die Kraft, die erforderlich ist, um einer Masse von einem Kilogramm eine Beschleunigung von einem Meter pro Sekunde zu verleihen. Und 30 attoNewton sind gleichbedeutend mit 0,0000000000000003 Newton.
“Nachdem es uns nun gelungen ist, Gravitationssignale bei der kleinsten jemals aufgezeichneten Masse zu messen, bedeutet das, dass wir der endgültigen Erkenntnis, wie alles zusammenwirkt, einen Schritt näher gekommen sind“, sagte Fuchs. “Von nun an werden wir mit dieser Technik beginnen, die Quelle zu verkleinern, bis wir auf beiden Seiten die Quantenwelt erreichen“.
Wir erweitern die Grenzen der Wissenschaft, die zu neuen Entdeckungen über die Schwerkraft und die Quantenwelt führen könnten. Unsere neue Technik, die extrem niedrige Temperaturen und Geräte zur Isolierung der Schwingungen des Teilchens nutzt, wird sich wahrscheinlich als zukunftsweisender Weg zur Messung der Quantengravitation erweisen. Die Entschlüsselung dieser Geheimnisse wird uns helfen, weitere Geheimnisse über die Struktur des Universums zu erschließen, von den kleinsten Teilchen bis hin zu den größten kosmischen Strukturen.
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