Wie man das Gravitationsfeld eines Quantenobjekts misst

Ende des 18. Jahrhunderts maß der britische Wissenschaftler Henry Cavendish erstmals in einem Labor die Schwerkraft zwischen zwei Objekten. Die fraglichen Gegenstände waren Bleikugeln, eine so groß wie eine Wassermelone, die andere so groß wie ein Baseball. Die Kraft zwischen ihnen, stellte er fest, war winzig – etwa das Gewicht eines Sandkorns.



Seitdem sind die Experimente genauer geworden, betreffen aber im Allgemeinen immer noch relativ große Objekte – das kleinste jemals gemessene Gravitationsfeld befand sich zwischen zwei Zylindern mit einem Gewicht von 90 Gramm. Aber Felder zwischen kleineren Massen sind so winzig, dass niemand einen Weg gefunden hat, sie zu messen.

Geschichten von Gang-Stalking-Opfern

Das scheint sich dank der Arbeit von Jonas Schmole und seinen Freunden an der Universität Wien in Österreich zu ändern. Sie haben einen Weg gefunden, die Gravitationsanziehung von Objekten im Millimeterbereich zu messen, die drei Größenordnungen weniger massiv sind als alles, was zuvor gemessen wurde.





Ein solches Experiment würde es Wissenschaftlern ermöglichen, die Schwerkraft in nie dagewesenen Größenordnungen zu untersuchen, und öffnet die Tür zu einer neuen Ära von Experimenten, die zum ersten Mal die Beziehung zwischen Schwerkraft und Quantenmechanik erforschen.

Das neue Verfahren zur Messung von Gravitationskräften ist im Prinzip einfach. Im Kern nutzt es die Art und Weise aus, wie winzige Objekte schwingen, wenn sie wiederholt angestoßen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, winzige Sprungbretter aus Silizium zu schnitzen, um die zu ihrer Überwachung notwendige Elektronik auf einem einzigen Chip unterzubringen. Diese sogenannten mikroelektromechanischen Geräte sind in den letzten Jahren weit verbreitet – sie sind beispielsweise die Technologie hinter Airbags und Beschleunigungsmessern in Smartphones.

Nun wollen Schmole und Co. damit Gravitationskräfte messen. Ihre Idee ist es, ein Sprungbrett zu bauen und an dessen Ende eine Milligramm-Kugel zu platzieren. Das ist die Testmasse, deren Bewegung unter der Schwerkraft sie messen wollen.



Gleichzeitig setzen sie eine weitere ähnliche Kugel auf das Ende einer Stange, die wie ein Kolben hin und her geratscht werden kann. Dies ist die Quellmasse, die ein sich bewegendes Gravitationsfeld erzeugt.

Wenn diese beiden Kugeln nahe beieinander platziert werden, sollte das resultierende Gravitationsfeld eine Anziehungskraft zwischen ihnen erzeugen. Das sollte die Testmasse auf dem Sprungbrett in Richtung der Quellmasse ziehen. Wenn sich die Quellenmasse wegbewegt, lässt die Anziehungskraft nach, wodurch die Testmasse wegfallen kann.

Wie ist Prinzessin Leia in Rogue One erschienen?

Dadurch vibriert das Sprungbrett. Und wenn die Bewegung der Quellenmasse mit einer bestimmten kritischen Frequenz übereinstimmt, schwingt das Sprungbrett mit, und diese Bewegung kann gemessen werden, indem ein Laser vom Sprungbrett abprallt.

Durch die Anpassung der Art und Weise, wie sich die Quellmasse hin und her bewegt, können Schmole und Co untersuchen, wie die Resonanz auftritt, und die Kraft messen, die sie verursacht – die Anziehungskraft zwischen den beiden Körpern.



Und das war’s – eine einfache Möglichkeit, die Gravitationskraft zwischen zwei Milligramm großen Objekten zu messen, die heute mit modernsten MEMs-Geräten möglich ist.

WLAN durch Wände sehen

Natürlich gibt es bei dem Experiment einige wichtige Feinheiten. Beispielsweise müssen die Testmasse und die Quellmasse isoliert werden, damit die Bewegung der einen die andere nicht beeinflusst, außer durch die Anziehungskraft. Das ist eine große Herausforderung. Eine andere besteht darin, das gesamte Gerät von externen Vibrationen zu isolieren, die das interessierende Signal überschwemmen könnten.

Aber Schmole und Co sagen, dass diese überschaubar sind und dass das Experiment durchaus machbar ist. Der aktuelle Stand der Technik sollte eine Proof-of-Concept-Demonstration für Objekte in der Größenordnung von Millimetern und mehreren zehn Milligramm ermöglichen, was die derzeitige Grenze für die Erfassung des Gravitationsfelds einer kleinen Quellenmasse bereits um drei Größenordnungen verbessert. Sie sagen.

Das ist eine interessante Arbeit, nicht nur wegen der experimentellen Herausforderungen. Millimeterskalige Objekte sind nahe an der Skala, in der die seltsamen Gesetze der Quantenmechanik beobachtbar werden. Diese führen zu bizarren Phänomenen wie einem einzelnen Objekt, das sich gleichzeitig an zwei Orten befindet.

Die aufregende Möglichkeit, auf die Schmole und Co hinweisen, ist die Fähigkeit, die mit Quantenobjekten verbundene Schwerkraft zu messen. Wie wird sich die Gravitationskraft manifestieren, wenn sie mit einem Objekt verbunden ist, das gleichzeitig an zwei Orten existiert?

Das ist eine Frage, auf die viele Physiker ihre rechte Hand geben würden, um die Antwort zu wissen. Sie müssen nicht lange warten!

Ref: arxiv.org/abs/1602.07539 : Ein mikromechanisches Proof-of-Principle-Experiment zur Messung der Gravitationskraft von Milligramm-Massen

verbergen

Tatsächliche Technologien

Kategorie

Unkategorisiert

Technologie

Biotechnologie

Technologierichtlinie

Klimawandel

Mensch Und Technik

Silicon Valley

Computer

Mit News Magazine

Künstliche Intelligenz

Platz

Intelligente Städte

Blockchain

Reportage

Alumni-Profil

Alumni-Verbindung

Mit News Feature

1865

Meine Sicht

77 Mass Avenue

Treffen Sie Den Autor

Profile In Großzügigkeit

Auf Dem Campus Gesehen

Lerne Den Autor Kennen

Alumni-Briefe

Nicht Kategorisiert

77 Massenallee

Rechnen

Tech-Richtlinie

Lernen Sie Den Autor Kennen

Nachrichten

Wahl 2020

Mit Index

Unter Der Kuppel

Feuerwehrschlauch

Unendliche Geschichten

Pandemie-Technologieprojekt

Vom Präsidenten

Titelstory

Fotogallerie

Empfohlen