211service.com
Hoe het zwaartekrachtveld van een kwantumobject te meten
Aan het einde van de 18e eeuw mat de Britse wetenschapper Henry Cavendish voor het eerst de zwaartekracht tussen twee objecten in een laboratorium. De objecten in kwestie waren loden ballen, de een zo groot als een watermeloen, de ander zo groot als een honkbal. De kracht tussen hen, ontdekte hij, was klein - ongeveer het gewicht van een zandkorrel.
Sindsdien zijn de experimenten nauwkeuriger geworden, maar hebben ze over het algemeen nog steeds betrekking op relatief grote objecten - het kleinste zwaartekrachtveld dat ooit is gemeten, was tussen twee cilinders van 90 gram. Maar velden tussen kleinere massa's zijn zo klein dat niemand een manier heeft bedacht om ze te meten.
Dat lijkt te veranderen dankzij het werk van Jonas Schmole en zijn vrienden aan de Universiteit van Wenen in Oostenrijk. Ze hebben een manier bedacht om de zwaartekracht te meten van objecten op millimeterschaal die drie orden van grootte minder zwaar zijn dan alles wat eerder is gemeten.
Een dergelijk experiment zou wetenschappers in staat stellen om zwaartekracht te onderzoeken op schalen die nog nooit eerder mogelijk waren en opent de deur naar een nieuw tijdperk van experimenten die voor het eerst de relatie tussen zwaartekracht en kwantummechanica onderzoeken.
De nieuwe methode voor het meten van zwaartekrachten is in principe eenvoudig. In de kern maakt het gebruik van de manier waarop kleine objecten resoneren wanneer ze herhaaldelijk worden aangeduwd. Een manier om dit te doen is om minuscule springplanken uit silicium te kerven, zodat de elektronica die nodig is om ze te bewaken in een enkele chip kan worden ingebouwd. Deze zogenaamde micro-elektromechanische apparaten zijn de afgelopen jaren gemeengoed geworden - ze zijn de technologie achter airbags en versnellingsmeters in bijvoorbeeld smartphones.
Nu willen Schmole en co ze gebruiken om zwaartekrachten te meten. Hun idee is om een springplank te maken en op het uiteinde daarvan een bol op milligramschaal te plaatsen. Dit is de testmassa waarvan ze de beweging onder de zwaartekracht hopen te meten.
Tegelijkertijd plaatsen ze nog een soortgelijke bol op het uiteinde van een staaf die als een zuiger heen en weer kan worden bewogen. Dit is de bronmassa die een bewegend zwaartekrachtveld genereert.
Wanneer deze twee bollen dicht bij elkaar worden geplaatst, moet het resulterende zwaartekrachtveld een aantrekkende kracht tussen hen creëren. Dat zou de testmassa op de springplank naar de bronmassa moeten trekken. Naarmate de bronmassa weg beweegt, zal de aantrekkingskracht afnemen, waardoor de testmassa kan wegvallen.
Daardoor gaat de springplank trillen. En als de beweging van de bronmassa overeenkomt met een bepaalde kritische frequentie, zal de springplank resoneren, en deze beweging kan worden gemeten door een laser van de springplank te laten stuiteren.
Door de manier aan te passen waarop de bronmassa heen en weer beweegt, kunnen Schmole en co de manier waarop de resonantie optreedt onderzoeken en de kracht meten die deze veroorzaakt - de aantrekkingskracht tussen de twee lichamen.
En dat is alles: een eenvoudige manier om de zwaartekracht tussen twee milligram-objecten te meten die tegenwoordig mogelijk is met ultramoderne MEMs-apparaten.
Natuurlijk zijn er enkele belangrijke subtiliteiten in het experiment. Zo moeten de testmassa en de bronmassa worden geïsoleerd, zodat de beweging van de ene de andere niet beïnvloedt, behalve door zwaartekracht. Dat is een flinke uitdaging. Een andere is het isoleren van het hele apparaat van externe trillingen die het signaal van belang kunnen overspoelen.
Maar Schmole en co zeggen dat deze beheersbaar zijn en dat het experiment bij uitstek uitvoerbaar is. De huidige stand van de techniek moet een proof-of-concept-demonstratie mogelijk maken voor objecten op de schaal van millimeters en tientallen milligrammen, wat de huidige limiet voor het waarnemen van het zwaartekrachtveld van een kleine bronmassa al met drie ordes van grootte verbetert, ze zeggen.
Dat is interessant werk en niet alleen vanwege de experimentele uitdagingen. Objecten op millimeterschaal liggen dicht bij de schaal waarop de vreemde wetten van de kwantummechanica waarneembaar worden. Deze leiden tot een bizar fenomeen, zoals een enkel object dat zich tegelijkertijd op twee locaties bevindt.
De opwindende mogelijkheid waar Schmole en co naar verwijzen, is het vermogen om de zwaartekracht te meten die verband houdt met kwantumobjecten. Hoe zal de zwaartekracht zich manifesteren wanneer deze wordt geassocieerd met een object dat op twee locaties tegelijkertijd bestaat?
Dat is een vraag die veel natuurkundigen hun rechterarm zouden geven om het antwoord op te weten. Ze hoeven niet lang te wachten!
Referentie: arxiv.org/abs/1602.07539 : Een micromechanisch Proof-of-Principle-experiment voor het meten van de zwaartekracht van milligrammassa's