Европейцы проявили квантовые эффекты гравитации на субатомном уровне. Учёные сумели произвольно перебрасывать нейтроны между гравитационными квантовыми состояниями, одновременно измеряя параметры этих переходов.

Удивительный эксперимент провели физики-ядерщики из института Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Institut Laue-Langevin) и Венского технологического университета (TU Wien). Они получили в реакторе нейтроны и замедлили их до очень малой скорости (всего около пяти метров в секунду). Далее учёные направили эти нейтроны между двумя горизонтальными пластинами, разделёнными зазором в 25 микрометров. При этом верхняя пластина поглощала нейтроны, а нижняя — отражала их.

Между пластин ультрахолодные нейтроны летели по баллистической кривой, определяемой только силой тяжести и начальной скоростью частицы. Как объясняет BBC, если нейтрон падал на нижнюю пластину, он отскакивал от неё в пластину верхнюю, поглощался и не фиксировался датчиком, размещённым на выходе пластин.

Для дальнейшего «фокуса» нижнее зеркало выполнили вибрирующим, добавив к нему пьезорезонатор. Колебания этой пластины могли сообщать ударяющимся нейтронам дополнительную энергию, а потому — влиять на траекторию. При плавном изменении частоты колебаний зеркала физики наблюдали несколько чётких провалов в числе нейтронов, фиксируемых за пределами пластин.

Так обнаружились хорошо разнесённые резонансные частоты, на которых частицы были склонны поглощать энергию. Учёные интерпретировали эти частоты как гравитационные квантовые состояния нейтронов, находящихся в земном гравитационном поле. Переход между ними требовал строго фиксированной энергии, пропорциональной разнице между частотами.

Новый метод измерения получил название «гравитационная резонансная спектроскопия». Она оказалась столь чувствительной, что с её помощью группа физиков намерена проверить несколько предполагаемых сверхслабых эффектов в области гравитации.

В частности, в дальнейших экспериментах команда желает выявить — действует ли на субатомном масштабе равенство гравитационной и инертной масс. Также представляет интерес проверка закона всемирного тяготения Ньютона для столь малых тел, какими являются нейтроны.

Если с помощью новой техники учёные обнаружат в микромире какие-то отклонения от известных законов, это повлечёт за собой серьёзные последствия. Например, в опытах с ультрахолодными нейтронами могут проявиться дополнительные пространственные измерения, в которых действует гравитация. Это обрадует сторонников теории струн.

Также в наборе данных, описывающих нейтроны, скачущие с одного гравитационного квантового уровня на другой, физики мечтают найти следы гипотетических аксионов. Это, в свою очередь, пролило бы свет на природу тёмной материи.

Ранее опыты с гравитацией на микроуровне с такой точностью измерений не были доступны учёным. Потому новый эксперимент — важный шаг на пути к теории квантовой гравитации и «теории всего» (TOE).

Детали опыта изложены в статье

Tobias Jenke, Peter Geltenbort, Hartmut Lemmel & Hartmut Abele Realization of a gravity-resonance-spectroscopy technique. – Nature Physics. – 2011. – doi:10.1038/nphys1970; Published online 17 April 2011.