Η μικρότερη δύναμη που έχει μετρηθεί ποτέ

Χρησιμοποιώντας μια πειραματική διάταξη με δέσμες λέιζερ και μετέωρα άτομα παγωμένα κοντά στο απόλυτο μηδέν, αμερικανοί ερευνητές ανίχνευσαν τη μικρότερη δύναμη που έχει μετρηθεί ποτέ. Όπως αναφέρουν στο περιοδικό Science, η μέτρηση πλησιάζει το απόλυτο όριο που θέτουν οι αρχές της κβαντικής φυσικής.

Η δύναμη που μέτρησαν οι ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου «Λόρενς Μπέρκλεϊ» και του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στo Μπέρκλεϊ είχε μέγεθος 24 yoctonewtons ή 24 x 10-24 Newton.

Συγκριτικά, μια πεταλούδα βάρους ενός γραμμαρίου που κάθεται σε ένα φύλλο ασκεί δύναμη
9.806.650.000.000.000.458.752 yoctonewton.

Όπως εξηγούν οι ερευνητές, στην καρδιά όλων των σύγχρονων ανιχνευτών δύναμης βρίσκονται οι λεγόμενοι μηχανικοί ταλαντωτές, διατάξεις που μετατρέπουν την ασκούμενη δύναμη σε μετρήσιμη μηχανική κίνηση. Η μέτρηση της κίνησης αυτής επιτρέπει τον υπολογισμό της δύναμης.

Όταν όμως οι μετρήσεις της κίνησης φτάνουν σε μικρά, κβαντικά μεγέθη, η μέτρηση προσκρούει στα εμπόδια που θέτει η λεγόμενη αρχή της απροσδιοριστίας του Χάιζενμπεργκ: η κίνηση του ταλαντωτή διαταράσσεται από την ίδια την πράξη της μέτρησης και παύει να είναι αξιόπιστη. Το όριο αυτό ονομάζεται «Στάνταρτ Κβαντικό Όριο» ή SQL, και είναι η ακριβέστερη μέτρηση που μπορεί ποτέ να πραγματοποιηθεί.

«Μια επιστημονική δημοσίευση του 1980 προέβλεπε ότι θα μπορούσαμε να φτάσουμε το SQL σε διάστημα πέντε χρόνων» σχολιάζει ο Σταν Ντάμπερ-Κερν, επικεφαλής της τελευταίας μελέτης στο Science.

«Χρειάστηκε 30 χρόνια περισσότερο από ό,τι είχε προβλεφθεί, τώρα όμως διαθέτουμε μια πειρατική διάταξη που θα μπορούσε να φτάσει πολύ κοντά στο SQL» λέει.

Η νέα διάταξη ακολουθεί την αρχή λειτουργίας των μηχανικών ταλαντωτών: «Όταν ασκούμε μια εξωτερική δύναμη στον ταλαντωτή είναι σαν να χτυπάμε ένα εκκρεμές με το ρόπαλο και να μετράμε την αντίδρασή του» εξηγεί ο Σίντνεϊ Σρέπλερ, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης.

Ο λόγος που η διάταξη έφτασε αυτά τα επίπεδα ευαισθησίας ήταν ότι ο μηχανικός ταλαντωτής αποτελούνταν από μόλις 1.200 άτομα. Αποτελούνταν από άτομα ρουβιδίου που διατηρούνταν παγωμένα κοντά στο απόλυτο μηδέν και κρατούνταν μετέωρα σε μια «οπτική παγίδα» με τη βοήθεια ακτίνων λέιζερ που ασκούν στα άτομα αντίρροπες δυνάμεις.

Αλλάζοντας ανεπαίσθητα τις ρυθμίσεις στο πεδίο των ακτίνων λέιζερ, οι ερευνητές ανάγκασαν το κέντρο μάζας του μετέωρου αερίου να κινηθεί. Η κίνηση αυτή, η οποία εξαρτάται από τη δύναμη που ασκήθηκε στο κέντρο μάζας του αερίου, μετρήθηκε τελικά με τη βοήθεια μιας άλλης δέσμης λέιζερ.

Και η μέτρηση που διαφαίνεται έχει ευαισθησία μόλις τέσσερις φορές πάνω από το Στάνταρτ Κβαντικό Όριο.

Σε τι όμως θα μπορούσε να χρησιμεύσει μια τόσο ακριβής μέτρηση; Υπάρχουν αρκετές εφαρμογές στη σύγχρονη έρευνα -για παράδειγμα, οι φυσικοί θα ήταν δυνατόν να μετρήσουν αν ο νόμος της βαρύτητας που διατύπωσε ο Νεύτωνας ισχύει και σε μικροσκοπικές κλίμακες.




Πείραμα κβαντομηχανικής δοκιμάζει τη βαρύτητα του Νεύτωνα

Μια άλλη εφαρμογή θα ήταν η ανίχνευση των λεγόμενων βαρυτικών δυνάμεων, ανεπαίσθητων παραμορφώσεων στο χωροχρόνο που είχαν προταθεί από τον Αϊνστάιν αλλά παραμένουν ανεπιβεβαίωτες.

Τα βαρυτικά κύματα ουσιαστικά θα τέντωναν το χώρο προς μια κατεύθυνση ενώ ταυτόχρονα θα τον συμπίεζαν σε μια άλλη κατεύθυνση. Και αυτό σημαίνει ότι θα ήταν δυνατόν να γίνουν αντιληπτά από απειροελάχιστες μεταβολές στις διαστάσεις της  πειραματικής διάταξης.

Για παράδειγμα, το αμερικανικό πείραμα LIGO για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων φιλοδοξεί να καταγράψει κινήσεις που αντιστοιχούν στο ένα χιλιοστό της διαμέτρου του πρωτονίου.

Η νέα μέθοδος μέτρησης δυνάμεων και κινήσεων θα μπορούσε επομένως να βοηθήσει στην αναζήτηση.

Επιμέλεια: Βαγγέλης Πρατικάκης