Recent, un grup de cercetători din Viena a reușit să măsoare în laborator cea mai mică forță de atracție gravitațională până în prezent. Cercetătorii, experți în fizica cuantică, au folosit sfere de aur cu rază de 1 mm, și tehnologii extrem de sensibile pentru a măsura această forță extrem de mică.

 Atracția gravitațională

Forța de atracție gravitațională este cea care dă formă Universului: de la Sistemul Solar, la structura galaxiilor și a grupărilor de galaxii. Este deasemenea forța care ne ține și pe noi legați de Pământ și cea care ne face să cădem atunci când ne împiedicăm. Newton a formulat legea atracției universale, unificând pentru prima dată fenomenele așa-zis terestre cu cele cosmice: Luna se rotește în jurul Pământului din aceeași cauză din care cade o piatră dacă o lăsăm din mână, și cauza este gravitația. Gravitația este universală și datorită faptului că nu depinde de masa obiectului care cade: accelerația acestuia dată de constanta atracției gravitaționale, care este aceeași indiferent dacă ceea ce cade este un fulg sau o cărămidă. Acest lucru este valabil și a fost verificat în vid – în aer evident lucrurile se schimbă din cauza unor fenomene care influențează căderea, precum frecarea cu aerul.

La începutul secolului trecut, Albert Einstein a formulat o nouă teorie a gravitației: relativitatea generală, în cadrul căreia gravitația nu mai este o forță ci o deformare a geometriei spațiului și timpului. Practic obiectele din Univers deformează geometria spațiului și a timpului și obiectele dar și lumina se mișcă în Univers urmărind această nouă geometrie.

Măsurători ale gravitației în laborator

Măsurarea forței de atracție gravitațională în laborator este extrem de dificilă. Acest lucru este datorat faptului că atracția gravitațională este, în comparație cu celelalte trei interacțiuni pe care le cunoaștem, extrem de slabă. Gravitația este multe miliarde de miliarde de ori mai puțin intensă decât forța (interacțiunea) electromagnetică. De exemplu între doi protoni există inclusiv o forță de atracție gravitațională, însă este atât de mică față de cea de natură electromagnetică încât este practic imposibil de măsurat și în toate experimentele din fizică particulelor gravitația este neglijată.

Primul care a reușit măsurarea acestei forțe în laborator a fost Henry Cavendish, la sfârșitul secolului XVIII. Aparatul realizat de Cavendish era o balanța de torsiune alcătuită dintr-o tijă de lemn de circa 1,8 metri suspendată în poziție orizontală cu o sârmă și care avea două sfere de plumb de 0,63 kg una, atașate la cele două capete ale tijei. Două sfere de plumb de 30 cm cu masă de 158 kg fiecare au fost poziționate în apropierea sferelor mici la aproximativ 23 cm depărtare, fiind ținute cu un sistem de suspensie separat. Atracția gravitațională dintre sferele mari și mici a făcut astfel încât brațul ce susține sferele mici să se rotească, răsucind firul care îl susține. Din măsurarea unghiului tijei și cunoscând forța de răsucire a firului pentru unghiul obținut, s-a determinat forță de atracție gravitațională dintre perechile de mase.

Experimentul din Viena: sfere de aur

 Un grup de cercetători de la Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) și de la University of Vienna, alcătuit din experți în experimente de fizică cuantică, în cadrul cărora au dezvoltat o serie de tehnologii care folosesc obiecte microscopice, a hotărât să repete experimentul de măsurare a forței de atracție gravitațională în laborator, folosind însă sfere mult mai mici. Au pregătit un experiment în cadrul căruia masele de test erau sfere mici de aur, cu rază de doar 1 mm și cu o masă de 90 miligrame. Tija în acest caz era din sticlă iar firul care o suspendă de fibră de sticlă cu diametrul sub un milimetru. Au mișcat o sferă de aur înainte și înapoi, generând o oscilație a pendulului cu o anumită frecvență, pe care au măsurat-o cu ajutorul unui fascicol laser. Au reușit să măsoare cea mai mică forță de atracție gravitațională în laborator cu ajutorul acestui sistem. Pentru a nu fi influențați de mișcări de gen seismic generate de trafic, au efectuat măsuratorile în special noaptea și în vacanța de Crăciun. Chiar dacă precizia măsurătorii nu este mare au obținut o constantă gravitațională în acord, ținând cont de erorile măsurătorii, cu cea cunoscută. Este ca și cum ar fi măsurat atracția gravitațională între două insecte! Un adevărat record, un experiment efectuat cu  o tehnică impecabilă și virtuozitate absolută.

Planuri de viitor

Grupul vienez a declarat că acest experiment este doar un test pentru o măsurătoare care va avea că obiect o masă de circa 1.000 de ori mai mică. Acest nou experiment pe care grupul îl planifică va avea nevoie de tehnici și mai rafinate, întrucât forța pe care vor să o măsoare este mult mai mică decât cea pe care au reușit s-o obțină în prezent. Dacă se va reuși în viitor să se realizeze măsurarea atracției gravitaționale între obiecte cu masa de câteva zeci de micrograme ar fi extrem de interesant – întrucât aceste mase se apropie de așa-numită masă a lui Planck, circa 21 micrograme. Această masă în lumea particulelor este cea la care efecte cuantice s-ar putea face simțite în gravitație. La ora actuală teoria gravitației, cea a lui Einstein, nu este o teorie cuantică și orice informație experimentală despre cum ar putea arată această teorie cuantică a gravitației ar fi extrem de utilă.

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe