Гравитация на кончиках игл: новые возможности для настольных экспериментов

Автор: Денис Аветисян

Ученые разработали микроскопические крутильные маятники, открывающие путь к высокочувствительным измерениям гравитационных сил прямо в лаборатории.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

Разработан маятник кручения макроскопического масштаба, использующий наноизготовленную Si3N4-подвеску толщиной 1,8 мкм для подвешивания массы 87 грамм с периодом колебаний 180 секунд, что позволяет проводить эксперименты по гравитационному взаимодействию, несмотря на предпочтительность сферических масс к цилиндрическим из соображений удобства изготовления и монтажа, при этом чип подвески интегрирован в кремниевую пластину с отверстиями для фиксации и временной поддержки во время производства.

Нанофабрикованные крутильные маятники с кремниевой нитридной подвеской позволяют исследовать гравитационное взаимодействие и потенциально измерить гравитационную запутанность между механическими осцилляторами.

Измерение гравитационного взаимодействия на лабораторных масштабах остаётся сложной задачей, ограничивающей прогресс в проверке теорий квантовой гравитации. В работе «Nanofabricated torsion pendulums for tabletop gravity experiments» представлен новый подход, основанный на использовании нанофабрикованных торсионных маятников с кремниевыми нитридными подвесами для снижения диссипативных потерь. Разработанный маятник, поддерживающий массу 87 грамм, является крупнейшим из подобных устройств на основе тонких плёнок и демонстрирует перспективные характеристики для высокоточных экспериментов. Сможет ли эта технология открыть путь к непосредственному измерению гравитационной связи между микроскопическими осцилляторами и углубить наше понимание фундаментальных взаимодействий?

Термический Шум: Предел Точности в Космологии

Точные измерения гравитации являются краеугольным камнем современных космологических исследований и проверки фундаментальных теорий о природе Вселенной. Однако, эти измерения подвержены влиянию множества внешних возмущений, которые ограничивают достижимую точность. Среди этих факторов особое место занимают сейсмические колебания, электромагнитные помехи и даже незначительные изменения температуры окружающей среды. Эти влияния могут маскировать слабые гравитационные сигналы, искажая результаты и затрудняя поиск предсказанных теоретическими моделями явлений, таких как гравитационные волны или отклонения от ньютоновской гравитации. Преодоление этих ограничений требует разработки сложных систем экранирования, использования передовых методов обработки сигналов и, что особенно важно, поиска новых, менее подверженных помехам, экспериментальных установок.

Традиционные эксперименты с использованием торсионных весов, предназначенные для высокоточных измерений гравитационных сил, постоянно сталкиваются с проблемой теплового декогеренса. Этот процесс, вызванный случайными тепловыми колебаниями окружающих атомов, вносит нежелательный шум, который маскирует слабые сигналы и ограничивает чувствительность прибора. По сути, тепловое декогеренс представляет собой непрерывную борьбу с хаотичным движением материи на микроскопическом уровне, которое искажает измеряемые параметры. Чем точнее требуется измерение, тем более критичным становится минимизация этого шума, поскольку даже незначительные тепловые флуктуации могут привести к существенным погрешностям в конечном результате, делая невозможным обнаружение слабых гравитационных взаимодействий и ставя под вопрос достоверность полученных данных. Поэтому разработка методов подавления или компенсации теплового декогеренса является ключевой задачей для продвижения исследований в области гравитации и проверки фундаментальных теорий физики.

Для достижения необходимой чувствительности в экспериментах по квантовой гравитации требуется разработка инновационных стратегий, направленных на минимизацию и смягчение существующих ограничений. Традиционные методы, такие как использование криогенных температур и изоляция от внешних вибраций, приближаются к своим пределам. В связи с этим, исследователи активно изучают новые подходы, включая использование квантовой запутанности для создания более точных сенсоров, разработку материалов с пониженным диэлектрическим шумом, а также применение методов активной обратной связи для компенсации остаточного теплового шума. Перспективным направлением является создание гибридных систем, объединяющих преимущества классических и квантовых технологий, что позволит значительно улучшить отношение сигнал/шум и приблизиться к обнаружению гравитационных волн, предсказанных теорией, или же непосредственно исследовать квантовые эффекты в гравитационном поле.

Сравнение торсионных весов и резонаторов из нитрида кремния показывает, что для достижения гравитационной запутанности, преодолевающей тепловой декогеренс, необходимы криогенное охлаждение и оптимальное значение показателя качества <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \eta = Q/\omega_{0}^{3} </span>, при этом разработанный в данной работе торсионный маятник (обозначен как 'x') демонстрирует измеренную частоту, соответствующую теоретическим значениям. — Сравнение торсионных весов и резонаторов из нитрида кремния показывает, что для достижения гравитационной запутанности, преодолевающей тепловой декогеренс, необходимы криогенное охлаждение и оптимальное значение показателя качества $\eta = Q/\omega_{0}^{3}$ , при этом разработанный в данной работе торсионный маятник (обозначен как ‘x’) демонстрирует измеренную частоту, соответствующую теоретическим значениям.

Повышение Чувствительности: Стратегии Диссипативного Разбавления

Повышение чувствительности торсионных весов напрямую связано с максимизацией их механического коэффициента добротности $Q$ . Коэффициент $Q$ характеризует отношение запасенной энергии к энергии, рассеиваемой за один период колебаний. Более высокий коэффициент $Q$ означает меньшие потери энергии и, следовательно, более слабое затухание колебаний, что позволяет детектировать более слабые сигналы и повышает чувствительность прибора. В контексте торсионных весов, потерями энергии обычно являются внутреннее трение материала, воздушное демпфирование и другие диссипативные процессы. Минимизация этих потерь посредством оптимизации конструкции и выбора материалов является ключевым фактором для достижения высокой чувствительности.

Методы диссипативной дилюции, в частности использование бифилярных подвесов, позволяют вводить практически бездиссипативные восстанавливающие силы, снижая потери энергии в механической системе. В бифилярной подвеске нагрузка распределяется между двумя параллельными нитями, уменьшая напряжение в каждой из них и, как следствие, снижая внутреннюю диссипацию, возникающую из-за деформации материала. Это приводит к увеличению механического качества (Q) колебательной системы, поскольку энергия сохраняется дольше, и потери уменьшаются. Эффективность диссипативной дилюции напрямую зависит от геометрии подвеса и свойств используемого материала, что позволяет оптимизировать конструкцию для достижения максимально высокого значения Q.

Отношение длины к толщине (Aspect Ratio) подвеса играет критическую роль в достижении высокого коэффициента добротности (Q) механических резонаторов. Использование тонкопленочных резонаторов, изготовленных из нитрида кремния (Si₃N₄), позволяет создавать конструкции с высоким отношением Aspect Ratio. Ni₃N₄ обладает свойствами, необходимыми для формирования тонких, но прочных подвесов, что особенно важно для увеличения механической чувствительности при измерении слабых сил. Технологические процессы, позволяющие получать пленки Ni₃N₄ с высокой однородностью и контролируемой толщиной, позволяют создавать подвесы с прецизионной геометрией, необходимыми для достижения оптимальных характеристик резонатора.

Разработан макроскопический торсионный маятник с кремниевой нитридной (Si₃N₄) подвеской толщиной 1,8 мкм, что является крупнейшим образцом на сегодняшний день. Использование Si₃N₄ позволило создать подвеску с высокой прочностью и малыми потерями энергии, необходимыми для достижения высоких значений механического качества (Q). Данная конструкция представляет собой значительный шаг вперед в области создания высокочувствительных датчиков и измерительных приборов, требующих минимизации диссипации энергии в системе подвеса.

Разработанная конструкция позволила достичь теоретического коэффициента добротности $Q$ до 10⁶ за счет использования эффекта диссипативного разбавления. При этом, гравитационный фактор разбавления составил 74. Это означает, что энергия, теряемая из-за диссипации в системе, значительно снижена за счет добавления восстанавливающей силы, эффективно «разбавляющей» потери энергии, вызванные гравитационным воздействием на тестовую массу.

Дополнительный путь повышения добротности $Q$ обеспечивается за счет диссипативного разбавления, индуцированного напряжением в подвеске. В продемонстрированном макроскопическом торсионном маятнике, напряжение в кремний-нитридовой (Si₃N₄) подвеске, вызванное массой испытательного груза в 87 грамм, оценивается в 1.9 ГПа. Данное напряжение способствует снижению диссипации энергии в подвеске, что, в свою очередь, приводит к увеличению механической добротности системы.

Экспериментальная установка для измерения гравитационного взаимодействия между двумя торсионными маятниками спроектирована с учетом масштабирования добротности и резонансной частоты маятника в зависимости от параметров подвеса, при этом оптимальные конструкции характеризуются высокой добротностью и низкой резонансной частотой <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \omega\_{0} </span>. — Экспериментальная установка для измерения гравитационного взаимодействия между двумя торсионными маятниками спроектирована с учетом масштабирования добротности и резонансной частоты маятника в зависимости от параметров подвеса, при этом оптимальные конструкции характеризуются высокой добротностью и низкой резонансной частотой $\omega\_{0}$ .

К Пределам Точности: Эксперименты по Гравитационному Взаимодействию

С повышением чувствительности торсионные весы становятся мощным инструментом для проведения тестов принципа эквивалентности и проверки закона обратных квадратов гравитации. Современные конструкции позволяют измерять чрезвычайно малые силы и крутящие моменты, необходимые для обнаружения отклонений от предсказаний общей теории относительности. Эти инструменты используют чувствительные угловые датчики для мониторинга деформаций тонких нитей, к которым подвешены тестовые массы, позволяя обнаруживать изменения в гравитационном поле, вызванные удаленными массами. Точность современных торсионных весов достигает $10^{-{15}}$ м/рад, что позволяет проводить эксперименты с высокой степенью точности и проверять фундаментальные аспекты гравитации.

В основе гравитационных экспериментов по исследованию взаимодействия между тестовыми массами лежит использование высокочувствительных приборов, таких как торсионные весы. Эти инструменты позволяют регистрировать чрезвычайно малые силы притяжения или отталкивания между массами, находящимися на небольшом расстоянии. Эксперименты направлены на точное измерение силы гравитационного взаимодействия, что необходимо для проверки закона всемирного тяготения и поиска отклонений от него. Регистрация этих сил требует минимизации внешних помех, включая электростатические, магнитные и сейсмические воздействия, а также поддержания стабильной температуры и вакуума. Точность измерений напрямую зависит от чувствительности прибора и эффективности подавления шумов.

Эксперименты по проверке взаимодействия гравитации играют ключевую роль в исследовании возможности двустороннего гравитационного взаимодействия. Обнаружение такого взаимодействия является необходимым условием для наблюдения гравитационно-индуцированной квантовой запутанности. Существующие теории квантовой гравитации предсказывают, что если два объекта связаны гравитационно, то изменение состояния одного объекта должно мгновенно влиять на состояние другого, даже на макроскопических расстояниях. Подтверждение этого явления потребовало бы создания экспериментальных установок, способных регистрировать чрезвычайно слабые корреляции между квантовыми состояниями, опосредованные гравитацией, и подтвердить предсказания, выходящие за рамки классической физики. Отсутствие доказательств двустороннего взаимодействия ограничивает возможность исследования и подтверждения подобных квантовых явлений.

Эксперименты по квантовой запутанности напрямую исследуют возможность гравитационного взаимодействия, стремясь продемонстрировать запутанность, опосредованную гравитацией. В данных экспериментах используются запутанные частицы, и анализируются корреляции между ними, чтобы определить, может ли гравитационное взаимодействие влиять на их квантовое состояние. Обнаружение корреляций, не объяснимых классическими механизмами, будет свидетельствовать о том, что гравитация может служить каналом для передачи квантовой информации и, следовательно, поддерживать концепцию гравитационно-индуцированной квантовой запутанности. Успешное подтверждение данного явления имеет ключевое значение для разработки новых технологий квантовой связи и вычислений, использующих гравитационное поле в качестве среды передачи.

Подавление Шума: Продвинутые Методы Измерений

Точность данных экспериментов напрямую зависит от минимизации так называемого «шума обратной связи» — фундаментального ограничения, присущего любому процессу измерения. Этот шум возникает из-за того, что само воздействие измерительного прибора на исследуемую систему вносит возмущения, которые могут исказить результаты. Представьте себе попытку определить положение очень лёгкого объекта, используя свет: фотоны света, взаимодействуя с объектом, толкают его, изменяя его положение и, следовательно, внося погрешность в измерение. Поэтому, для достижения максимальной точности, разрабатываются и применяются специальные методы, направленные на подавление этого шума и уменьшение влияния измерительного процесса на измеряемую систему, что позволяет получить более достоверные данные и приблизиться к истинным значениям исследуемых параметров.

Для точного измерения смещения торсионных маятников в экспериментах используются оптические рычаги — методы, основанные на анализе отраженного света. В данной технике луч света направляется на зеркало, закрепленное на маятнике, и отраженный луч проецируется на удаленный детектор. Даже незначительное смещение маятника приводит к значительному изменению положения отраженного луча на детекторе, обеспечивая высокую чувствительность. Это позволяет детектировать чрезвычайно малые перемещения, критически важные для поиска гравитационных волн и других прецизионных измерений. Применение оптических рычагов позволяет существенно снизить влияние шумов и повысить точность получаемых данных, делая возможным изучение самых слабых сигналов.

Для дальнейшего повышения чувствительности экспериментов применяются оптические резонаторы. Эти полости, сформированные зеркалами с высокой отражающей способностью, позволяют многократно увеличить амплитуду измеряемого сигнала за счет многократного прохождения света между зеркалами. Такой подход эффективно усиливает слабые сигналы, позволяя обнаружить чрезвычайно малые смещения или изменения. Кроме того, оптические резонаторы действуют как фильтры, подавляя шумы на определенных частотах и значительно улучшая отношение сигнал/шум. Эффективное использование резонаторов требует прецизионной настройки зеркал и контроля оптической стабильности, однако получаемое увеличение чувствительности критически важно для достижения требуемой точности измерений.

Тщательный контроль расстояния между тестовыми массами является ключевым аспектом повышения чувствительности гравиметрических экспериментов. Уменьшение этого расстояния усиливает гравитационное взаимодействие между объектами, позволяя более точно измерять слабые гравитационные сигналы. Однако, сближение поверхностей увеличивает влияние электростатических сил, которые могут маскировать искомый гравитационный эффект. Поэтому, оптимальное расстояние достигается путём баланса между максимизацией гравитационного сцепления и минимизацией электростатических помех, что требует прецизионного контроля и использования специальных экранирующих материалов и методов для поддержания стабильности и точности измерений. $F = G\frac{m_1m_2}{r^2}$ — закон всемирного тяготения, подчеркивающий важность расстояния r в определении силы гравитационного взаимодействия.

Численное моделирование связанных осцилляторов с тепловым шумом подтверждает соответствие результатов аналитическим моделям, представленным в Приложении B, для спектральных плотностей мощности мод, взаимной спектральной плотности смещений осцилляторов и разрешения по частоте, при этом для амплитуд колебаний, сопоставимых с тепловым движением <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\left<\\theta\\_{\\text{th}}^{2}\\right>=k\\_{\\text{B}}T/I\\omega\\_{0}^{2}</span>, наблюдается расхождение с моделью разрешения по частоте. — Численное моделирование связанных осцилляторов с тепловым шумом подтверждает соответствие результатов аналитическим моделям, представленным в Приложении B, для спектральных плотностей мощности мод, взаимной спектральной плотности смещений осцилляторов и разрешения по частоте, при этом для амплитуд колебаний, сопоставимых с тепловым движением $\left<\\theta\\_{\\text{th}}^{2}\\right>=k\\_{\\text{B}}T/I\\omega\\_{0}^{2}$ , наблюдается расхождение с моделью разрешения по частоте.

В данной работе демонстрируется маятник крутильных колебаний, изготовленный с использованием тонкопленочной технологии. Удивительно, как сложная конструкция, призванная измерять гравитационное взаимодействие, неизбежно сталкивается с проблемой теплового затухания. Это закономерно: любая элегантная теория рано или поздно сталкивается с суровой реальностью производственной реализации. Как точно подметил Альберт Эйнштейн: «Если вы не можете объяснить что-то простым способом, значит, вы сами этого не понимаете». Здесь же, в попытке достичь высокой чувствительности, приходится идти на компромиссы, балансируя между идеальной моделью и реальными ограничениями материалов и технологий. Архитектура, в конечном итоге, оказывается не схемой, а компромиссом, пережившим деплой.

Что дальше?

Представленные в работе нанофабрицированные крутильные маятники, безусловно, представляют собой инженерное достижение. Однако, иллюзия упрощения всегда таит в себе новые уровни сложности. Улучшение механического качества фактора Q — это, конечно, хорошо, но не стоит забывать, что каждое повышение чувствительности лишь приближает нас к моменту, когда доминирующим источником шума станет не тепловой раскол, а, скажем, вибрации от проезжающего грузовика или, что вероятнее, недостаточно тщательно откалиброванный лазер. CI — это, по сути, храм, где мы молимся, чтобы ничего не сломалось.

Попытки измерить гравитационное переплетение между механическими осцилляторами выглядят особенно амбициозно. Впрочем, стоит помнить, что переплетение — это хрупкая конструкция, и любая попытка её “потрогать” может привести к декогеренции быстрее, чем успеешь написать документацию — а документация, как известно, это миф, созданный менеджерами.

В конечном счёте, каждое “революционное” технологическое решение станет техническим долгом. Будущие поколения столкнутся с необходимостью поддерживать и модернизировать эти сложные системы, возможно, осознавая, что более простые, хотя и менее чувствительные, методы были бы более практичными. Впрочем, кто обращает внимание на прагматизм, когда речь идёт о гравитации?

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.11366.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-19 16:03