Gruppen in Seattle, Colorado, und vielleicht auch anderen gelang es, das Newtonsche Gesetz des umgekehrten Quadrats in Submillimeterabständen zu messen und zu verifizieren, die mit 0,1 Millimetern vergleichbar sind, siehe z. B.

Submillimeter-Tests von das Gravitations-Inverse-Quadrat-Gesetz: Eine Suche nach "großen" zusätzlichen Dimensionen

Motiviert durch höherdimensionale Theorien, die neue Effekte vorhersagen, haben wir die Gravitation $ \ frac {1} {r ^ getestet {2}} $ Gesetz bei Abständen von bis zu 218 Mikrometern unter Verwendung eines 10-fach symmetrischen Torsionspendels und eines rotierenden 10-fach symmetrischen Attraktors. Wir haben frühere Einschränkungen für kurze Entfernungen um den Faktor 1000 verbessert und keine Abweichungen von der Newtonschen Physik festgestellt.

Dies ist ein 14 Jahre altes Papier (mit mehr als 600 Zitaten), und ich denke das Diese Experimente waren zu dieser Zeit sehr heiß, da in den letzten zwei Jahren Modelle mit verzerrten und großen Dimensionen in der Teilchenphysik vorgeschlagen wurden, die Verstöße gegen das Newtonsche Gesetz vorhersagen könnten.

Aber ich glaube, dass es auf diesem Gebiet einige zusätzliche Fortschritte gegeben hat. Zu dieser Zeit konnten sie durch die sehr feine Messung von bis zu 200 Mikrometern usw. etwas über das Gravitationsgesetz von bis zu 10 Mikrometern ableiten. Dies sind äußerst clevere, feinmechanische Experimente mit Torsionspendeln, rotierenden Attraktoren und Resonanzen. Die Kraft, die sie sehen können, ist wirklich winzig.

Die Gravitationskraft eines einzelnen Atoms zu sehen, ist offensichtlich zu viel verlangt (bis jetzt?) - die Objekte, deren Schwerkraft in den vorhandenen Experimenten gesehen wird, enthalten Milliarden oder Billionen von Atomen. Beachten Sie, dass die (anziehende) Gravitationskraft zwischen zwei Elektronen etwa 10 ^ {45} $ mal schwächer ist als die (abstoßende) elektrostatische!

Der größte Teil der Forschung zur Quantengravitation hat nichts mit Vorschlägen zur Änderung der Newtonschen Gesetze auf diesen Entfernungsskalen zu tun. In der Tat ist die Schwerkraft die schwächste Kraft und sie ist so schwach, dass sie bei allen routinemäßig beobachtbaren Phänomenen, an denen Atome beteiligt sind, sicher vernachlässigt werden kann. Die Forschung zur Quantengravitation befasst sich mit viel extremeren Phänomenen - wie der Verdunstung winziger Schwarzer Löcher -, die im Labor nicht zu sehen sind.

Diagramme und Links zu neuen Artikeln hier verfügbar (danke, alemi)

Die Anziehungskraft zwischen zwei Atomen messen? Himmel nein. Das ist so eine winzige, winzige Attraktion. Die Atome werden durch Gravitation, aber nur geringfügig, von sich selbst angezogen. Sie werden durch die Gravitation viel stärker von der Erde, dem Laboraufbau und den Messgeräten, den Gebäuden rund um die Messgeräte und sogar vom Schnee auf dem Dach der Gebäude angezogen.

Was kann das sein? gemessen wird die Anziehungskraft zwischen Atomen und der Erde. Einige Atomuhren hängen davon ab, dass Atome der Schwerkraft ausgesetzt sind. Atombrunnenuhren wie NIST-F1 verwenden Laser, um einen Strom von Cäsiumatomen zu jonglieren. Laser kühlen ankommende Atome auf nahezu absoluten Nullpunkt und werfen die Atome dann in einen Mikrowellenresonanzhohlraum. Die Atome fallen kurz zurück. An diesen fallenden Atomen werden Laser verwendet, um festzustellen, ob sie den Zustand gewechselt haben. Ein Atombrunnen würde nicht funktionieren, wenn Atome nicht der Schwerkraft ausgesetzt wären.

Eine wichtige Frage, die immer wieder auftaucht (Wortspiel beabsichtigt), lautet: "Fällt Antimaterie auf?" Das Stellen dieser Frage widerspricht sehr dem Äquivalenzprinzip, daher ist es eine Randfrage. Die ALPHA-Kollaboration arbeitete dennoch daran, diese Frage zu beantworten, indem sie versuchte, die Gravitationsmasse von eingeschlossenem Antiwasserstoff zu messen. Die Ergebnisse waren bisher nicht so endgültig; Sie fanden heraus, dass die Gravitationsmasse von Antiwasserstoff irgendwo zwischen dem -65-fachen und dem +110-fachen der Gravitationsmasse von Wasserstoff liegt. Es muss noch viel mehr Arbeit geleistet werden, um das Äquivalenzprinzip mit Antiwasserstoff zu bestätigen oder ungültig zu machen.

Den vollständigen Artikel zu diesem Experiment finden Sie unter Charman, A. E., & ALPHA Collaboration. (2013). Beschreibung und erste Anwendung einer neuen Technik zur Messung der Gravitationsmasse von Antiwasserstoff. Nature Communications 4: 1785.

(Eine Liste der klassischen und quantenmechanischen Gravitationseffekte, die in subatomaren Partikeln beobachtet wurden, finden Sie ganz unten. Mein Versuch, quantitativ zu erklären, was zur Messung der Atom-Atom-Schwerkraft erforderlich ist, wurde länger als beabsichtigt und ich hatte noch keine Zeit, es zu verkürzen.)

Nehmen wir an, Sie möchten die Anziehungskraft zwischen zwei geladenen Teilchen mit den Massen $ m_1, m_2 $ und den Ladungen $ q_1e, q_2e $ messen. Die klassische potentielle Energie zwischen den beiden Teilchen ist $$ U = - \ frac {Gm_1m_2 + \ alpha \ hbar c \, q_1 q_2} {r} $$ mit der Gravitationskonstante $ G $ und dem Abstand zwischen den Teilchen $ r $; Die dimensionslose Feinstrukturkonstante $ \ alpha \ ca. 1/137 $ wird durch die Beziehung $ \ alpha \ hbar c = e ^ 2/4 \ pi \ epsilon_0 $ definiert. Das Bemerkenswerte an diesem System ist die Schwäche der Gravitationskraft: Die Partikeldatengruppe tabelliert $ G / \ hbar c \ ca. 6,7 \ times10 ^ {- 39} (\ mathrm {GeV} / c ^ 2) ^ {- 2} $ Damit elektrische und Gravitationswechselwirkungen zwischen ähnlichen Partikeln im gleichen Maßstab stattfinden können, müssen sie ein Masse-Ladungs-Verhältnis von $ m / q \ approx \ sqrt {haben. \ alpha \ hbar c / G} \ ca. 10 ^ {18} \, \ mathrm {GeV} / c ^ 2 $. Ein Proton hat ein Masse-Ladungs-Verhältnis von $ 0,94 \, \ mathrm {GeV} / c ^ 2 $, und ein schwerer Kern könnte $ m / q \ ca. 200 \ text {-} 240 \, \ mathrm {GeV haben } / c ^ 2 $ - ein völlig anderes Ballspiel.

Im Land der elektroschwachen Wechselwirkungen haben wir auch eine interessante, aber schwache Kraft, die wir vor dem überwältigenden Hintergrund der elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen untersuchen möchten. Dort haben wir den Vorteil, dass elektroschwache Wechselwirkungen eine Symmetrie, Parität, stark verletzen, was die elektromagnetischen und starken Wechselwirkungen nicht tun. Es gibt eine ganze Klasse von Experimenten, bei denen ein polarisierter Strahl auf ein Ziel gerichtet wird und der Spin der Partikel im Strahl schnell umgedreht wird, um nach einer paritätsverletzenden Asymmetrie in der Wechselwirkung des Strahls mit dem Ziel zu suchen. Der Stand der Technik für Asymmetrieexperimente ist die Empfindlichkeit pro Teil pro Milliarde. Es ist, als hätte ich dir eine "unfaire" Münze gegeben, die dir, wenn du sie milliardenfach umgedreht hättest, noch einen Schwanz geben würde, der köpft. Es gibt eine grundlegende Grenze für diese Art von Experimenten, die als Zählstatistik bezeichnet wird: Wenn Sie erwarten, dass in einem bestimmten Zeitintervall $ N $ identische, aber nicht korrelierte Dinge passieren, erhalten Sie normalerweise $ N \ pm \ sqrt N $. Um eine Asymmetrie von 10 ^{–9 sup> zu messen, müssen Sie Statistiken zählen, es sei denn, Sie müssen mindestens 10 18 sup> -Ereignisse vergleichen. Wenn Sie eine "Drei-Sigma-Bedeutung" wünschen, benötigen Sie einen weiteren Faktor von $ 3 ^ 2 = 10 $ mehr. Denken Sie daran, dass ein Mol - ein Gramm Neutronen oder zwei Gramm molekularer Wasserstoff oder 27 Gramm Aluminium usw. im Periodensystem - nur 10 sup> 24 sup> Atome enthält . Das sichere Zählen von 10 sup> 19 sup> atomaren Wechselwirkungen ist keine leichte Aufgabe. Dies ist machbar, erfordert jedoch in der Regel etwa ein Jahrzehnt Entwurfsarbeit, einige Jahre Datenerfassung und einige Jahre Analyse.}

Dieser Ansatz lässt sich aus zwei Gründen nicht auf Gravitationswechselwirkungen zwischen geladenen Atomen skalieren. Das erste ist, dass die Zählstatistik grundsätzlich unmöglich ist, fast wörtlich das Quadrat des Standes der Technik. Wenn Sie nach einer Gravitationsasymmetrie bei der Streuung von Bleiionen mit $ m / q = 210 $ suchen möchten, würden Sie eine Asymmetrie um $ 2 \ times10 ^ {- 16} $ erwarten und benötigen daher irgendwo in der Nähe 10 ^{32 sup> Wechselwirkungen - stellen Sie sich Tausende Tonnen Blei vor, die jeweils ein Atom untersucht werden. Das zweite ist, dass für eine elektro-gravitative Asymmetrie der Vorzeichenwechsel auf dem falschen Begriff liegt: Anstatt nach einem winzigen Unterschied zwischen zwei sehr ähnlichen Ereignissen zu suchen, müssten Sie nach suchen die gleiche Minutenkorrektur für Wechselwirkungen mit gleicher und entgegengesetzter Ladung. Es ist unwahrscheinlich, dass Sie die beiden Interaktionen so genau messen können, dass sie miteinander verglichen werden können. Zum Beispiel unterscheidet sich die Restmasse eines Pb sup> + sup> - und Pb - sup> -Ions um fünf Teile pro Million, nur weil das eine zwei Elektronen weniger hat als das andere.}

Das Suchen nach Gravitationswechselwirkungen zwischen neutralen Atomen wäre einfacher, aber nicht millionenfach einfacher. Neutrale Atome können immer noch magnetische Momente haben und sich bei enger Annäherung elektrisch polarisieren. Diese Effekte sind gut beschrieben, aber nicht im Teil-pro-Million-Bereich beschrieben. Außerdem sind neutrale Atome schwerer herumzuschieben als Ionen. Jedes echte Atom-Atom-Gravitationsexperiment müsste viele Größenordnungen der derzeit unerforschten Auswirkungen des verbleibenden Elektromagnetismus durchlaufen, bevor die Schwerkraft messbar wird.

Was Sie tun können, ist, die Anziehungskraft zwischen einem subatomaren Teilchen und dem Rest der Erde zu messen, genauso wie meine Personenwaage die Anziehungskraft zwischen meinem Bauch und dem Rest der Erde misst . Es gibt nur eine Handvoll erfolgreicher Experimente in dem, was ich als "Halbquantengravitation" betrachte, die quantenmechanische Effekte in einem Newtonschen Gravitationspotential zeigen:

• David Hammens Antwort erwähnt die Cäsiumbrunnenuhr, bei der eine Wolke von Atomen unter dem Einfluss der Schwerkraft steigen und fallen darf, aber das ist im Wesentlichen ein klassischer Effekt. Die Cäsiumatome steigen und fallen wie Jongleurkugeln.

• Ebenso betrachte ich das Pound-Rebka-Experiment als klassischen Effekt. Während der Detektionsprozess in diesem Experiment Gammaphotonen von Eisenkernen streute, ist der Gravitationseffekt eine Frequenzverschiebung, die auch durch klassischen Elektromagnetismus in Kombination mit allgemeiner Relativitätstheorie beschrieben wird.

• Das Neutroneninterferometer-Experiment von Colella, Overhauser und Werner (1975) und die folgenden Experimente erfordern offensichtlich sowohl die (Newtonsche) Schwerkraft als auch die Quantenmechanik. Ein horizontaler Strahl kalter Neutronen wird geteilt und durch ein Einkristallinterferometer rekombiniert. Das Interferometer wird so gedreht, dass ein ausgehender Strahl noch horizontal, aber vertikal verschoben ist. Das Aufsteigen des Interferometers kostet die Neutronen $ mg \ ca. 100 \, \ mathrm {neV / m} $, sodass die Neutronen, die den unteren Pfad nehmen, einen etwas geringeren Impuls und damit eine andere Wellenlänge $ \ Lambda haben = h / p $, als die Neutronen, die den untersten Weg nehmen; Dies führt zu einer Verschiebung der Phase des Interferenzmusters, die vom Winkel zwischen dem Interferometer und der Horizontalen abhängt. Obwohl der Gravitationseffekt beobachtet wurde, stimmt er quantitativ nicht mit der Vorhersage der Schrödinger-Gleichung mit einem linearen Potential überein. Spekulationen in der Community besagen, dass sich die Interferometer (die handgroß sind und mehrere Unzen wiegen) beim Kippen verdrehen, den Abstand zwischen den Pfaden ändern und eine zusätzliche Phasenverschiebung einführen.
  

• Nesvizhevsky und Mitarbeiter (2002) (siehe auch hier oder hier) legten Beweise dafür vor, dass Neutronen in einem Gravitationsbrunnen besetzt sein könnten nur diskrete gebundene Zustände. Sie schickten einen horizontalen Strahl ultrakalter Neutronen (Gesamtgeschwindigkeit ~ 5 m / s, vertikale Geschwindigkeit ziemlich klein) durch einen engen Spalt zwischen einem Neutronenspiegel und einem Neutronenabsorber. Wenn der Spalt groß war, konnten die Neutronen vom Spiegel abprallen, ohne den Absorber zu berühren, und die Transmission durch den Spalt war groß; Wenn der Spalt klein war, konnten nur Neutronen mit den kleinsten vertikalen Geschwindigkeiten den Spalt abschießen, ohne den Absorber zu treffen. Für Lücken von einigen zehn Mikrometern zeigt die Transmission Anzeichen einer Quantisierung: Die Transmission ist bis zu einer bestimmten Spaltgröße Null und steigt dann in Richtung des Kontinuumswerts an, wenn mehr gebundene Zustände verfügbar werden.
  

• Aufbauend auf dieser Arbeit haben Jenke et al. (2011) haben einen Vibrationstisch verwendet, um Übergänge zwischen gravitationsgebundenen Zuständen zu steuern. Greene weist darauf hin, dass dies das erste Experiment ist, das einen quantenmechanischen Übergang ohne Verwendung eines elektromagnetischen Feldes unter Verwendung nur der starken und Gravitationskräfte antreibt.

Derzeit ist es möglich, die Schwerkraft zwischen dem einzelnen Atom und der Avogadro-Anzahl von Atomen zu messen. Die Gravitationsenergie, die der Wechselwirkung von Elektron und Proton im Abstand des Bohr-Radius in Bezug auf h Omega entspricht, entspricht Omega = 10 ^ -23 Hz, und so wird 1 Hz erhalten, wobei die zweite Masse die Avogadro-Anzahl von Protonen ist. Diese Energiedifferenz kann direkt mit sogenannten Trojanischen Wellenpaketen in doppelten trojanischen Katzenzuständen gemessen werden, in denen zwei halbklassische Zustände des Elektrons, die sich jeweils auf der Kreisbahn bewegen, aber in der entgegengesetzten Richtung zweimal pro Periode kollidieren und das Muster stören. Das Interferenzmuster zwischen zwei gegenläufig rotierenden Trojanischen Wellenpaketen verschiebt sich, wenn sich jemand mit 1 Hz darüber dreht, und ist daher im Delta-Ionisationsexperiment leicht messbar. Die Auflösung von 1 Hz entspricht auch der besten Frequenzauflösung, die in aktuellen Atomuhren verwendet wird, bei denen es sich um elektronische Zähler handelt, die die zählen Anzahl der Mikrowellen- oder optischen Schwingungen zwischen perfekt gemessenen und definierten atomaren Übergängen.

RE: Ich beziehe mich im Wesentlichen auf das folgende Papier http://journals.aps.org/pra/abstract/ 10.1103 / PhysRevA.57.2239, das die Quantenzustände des neutralen Wasserstoffatoms entwirft, um die Schwachstellen einschließlich der Schwerkrafteffekte auf das einzelne Atom zu messen. Die Elektronenwellenfunktion ist in zwei Komponenten aufgeteilt, die weniger wie die klassischen Elektronen aussehen. Diese Komponenten haben einen Drehimpuls, der im Modul gleich ist, aber das entgegengesetzte Vorzeichen hat. Da der Phi-Teil der Drehimpulswellenfunktion die Exp (m i Phi) ist, verstärkt die Kollision der Pakete mit der doppelten Rotationsperiode jedes einzelnen das Interferenzmuster um den Kreis, der 2 m Unebenheiten aufweist. Je m = n und je höher der Rydberg-Zustand, desto besser. Wenn die Schwerkraft so gegen das Atom aufgebracht wird, dass die linke Komponente eine andere Phase als die rechte akkumuliert, d. H. Zum Beispiel Die andere Masse wie das Neutron liegt in der Rotationsebene und schwingt mit der gleichen Frequenz entlang der Senkrechten zur Linie der Phasenakkumulation (Polarisation) in der Zeit in der Größenordnung der Frequenz G Mproton * me / r_0 / hbar, wobei r_0 von der ist Ordnung des Radius der Elektronenbahn. Weil der lineare Starteffekt auf den Kreiszustand 0 http://www.cqed.org/spip.php?article83 ist und daher aufgrund der normalen Schwerkraft von der Erde oder der Kilogrammkugel in der Variation 0 ist Bei diesem Experiment muss man das Trojaner-Wellenpaket und das angeregte Trojaner-Wellenpaket verwenden, um als Katzenüberlagerung zu interferieren, wenn sie sich um denselben Kern drehen sollen, und man möchte die Masse relativ im Rest. Alternativ können schwierigere Ein-Elektronen-Katzenzustände um zwei Kerne angeregt werden, wobei die Hälfte des Elektrons um einen und der zweite um den anderen herum liegt, und der Gravitations-Stark-Effekt aus der Masse über der Rotationsebene kann verwendet werden, während er über einem der Kerne angeordnet ist oder welche Implementierung des hier beschriebenen Experiments http://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.89.023607 den Kat-Zuständen des einzelnen Elektrons im Atom und anderen auferlegt werden kann Atome oder Neutronen anstelle von makroskopischen Massen und Atomwolken. Das Interferenzmuster wie im Michelson-Morley-Experiment beginnt zu fließen (zeitliche Verschiebungen), als hätte jemand gesehen, dass es sich langsam über einem solchen Atom dreht, wenn die Gravitationswechselwirkung hinzugefügt wird. Da es nun sinusartige Unebenheiten in der Wellenfunktionswahrscheinlichkeit gibt, ist das Ionisationssignal bei einem kurzen deltaartigen Impuls die Funktion der Zeit, wenn das Atom der Schwerkraft eines anderen Atoms oder der Avogadro-Zahl von ihnen ausgesetzt ist. Da die Anzahl der Unebenheiten um den Kreis 2 n beträgt, ist es umso besser, je höher die Quantenzahl ist. Am besten wären Rydberg-Atome mit etwa n = 1 Million oder mehr oder Riesenatome. Diese hätten einen Durchmesser von etwa 50 Metern. Wenn das Papier dort Magnetfelder hat, gilt dies alles für die Schwerkraft.