Forskare vid universitetet i Wien och österrikiska vetenskapsakademin, ledd av Markus Aspelmeyer har lyckats mäta gravitationsfältet för en guldsfär, bara 2 mm i diameter, med hjälp av en mycket känslig pendel – och därmed den minsta gravitationskraften. Experimentet öppnar nya möjligheter för att testa tyngdlagarna på tidigare ouppnådda små skalor. Resultaten publiceras i tidskriften Natur .

Tyngdkraften är den svagaste av alla kända krafter i naturen – och ändå är den starkast närvarande i våra vardagliga liv. Varje boll vi kastar, varje mynt vi tappar — alla föremål attraheras av jordens gravitation. I ett vakuum, alla objekt nära jordens yta faller med samma acceleration:deras hastighet ökar med cirka 9,8 m/s varje sekund. Tyngdkraften bestäms av jordens massa och avståndet från centrum. På månen, som är cirka 80 gånger lättare och nästan 4 gånger mindre än jorden, alla föremål faller 6 gånger långsammare. Och på en planet av storleken på en nyckelpiga? Objekt skulle falla 30 miljarder gånger långsammare där än på jorden. Gravitationskrafter av denna storleksordning förekommer normalt endast i de mest avlägsna regionerna av galaxer för att fånga avlägsna stjärnor.

Ett team av kvantfysiker ledda av Markus Aspelmeyer och Tobias Westphal från universitetet i Wien och österrikiska vetenskapsakademin har nu visat dessa krafter i laboratoriet för första gången. Att göra så, forskarna baserade sig på ett berömt experiment utfört av Henry Cavendish i slutet av 1700-talet.

Under Isaac Newtons tid, man trodde att gravitationen var reserverad för astronomiska föremål som planeter. Det var inte förrän i arbetet av Cavendish (och Nevil Maskelyne före honom) som det var möjligt att visa att objekt på jorden också genererar sin egen gravitation. Med hjälp av en elegant pendelanordning, Cavendish lyckades mäta gravitationskraften som genererades av en blykula som var 30 cm lång och vägde 160 kg 1797. En så kallad torsionspendel – två massor i ändarna av en stång som är upphängd i en tunn tråd och fritt att rotera – är mätbart avböjd av blymassans gravitationskraft. Under de kommande århundradena, dessa experiment fulländades ytterligare för att mäta gravitationskrafter med ökande noggrannhet.

Wien-teamet har tagit upp denna idé och byggt en miniatyrversion av Cavendish-experimentet. En 2 mm guldsfär som väger 90 mg fungerar som gravitationsmassan. Torsionspendeln består av en glasstav 4 cm lång och en halv millimeter tjock, upphängd i en glasfiber med några tusendels millimeter i diameter. Guldsfärer av liknande storlek är fästa vid varje ände av stången. "Vi flyttar guldsfären fram och tillbaka, skapa ett gravitationsfält som förändras över tiden, " förklarar Jeremias Pfaff, en av forskarna som deltog i experimentet. "Detta får torsionspendeln att oscillera vid den speciella excitationsfrekvensen."

Rörelsen, som bara är några miljondelar av en millimeter, kan sedan avläsas med hjälp av laser och gör det möjligt att dra slutsatser om kraften. Svårigheten är att hålla andra influenser på rörelsen så små som möjligt. "Den största icke-gravitationseffekten i vårt experiment kommer från seismiska vibrationer som genereras av fotgängare och spårvagnstrafik runt vårt labb i Wien, " säger medförfattaren Hans Hepach:"Vi fick därför de bästa mätdata på natten och under jullovet, när det var lite trafik." Andra effekter som elektrostatiska krafter kunde reduceras till nivåer långt under gravitationskraften genom en ledande sköld mellan guldmassorna.

Detta gjorde det möjligt att bestämma gravitationsfältet för ett föremål som har ungefär samma massa som en nyckelpiga för första gången. Som nästa steg, det är planerat att undersöka gravitationen hos massor som är tusentals gånger lättare.

Möjligheten att mäta gravitationsfält av små massor och på små avstånd öppnar för nya perspektiv för forskning inom gravitationsfysik; spår av mörk materia eller mörk energi kan hittas i gravitationens beteende, som kan vara ansvarig för bildandet av vårt nuvarande universum. Aspelmeyers forskare är särskilt intresserade av gränssnittet med kvantfysik:kan massan göras tillräckligt liten för att kvanteffekter ska spela en roll? Svaret kommer med tiden. Tills vidare, fascinationen för Einsteins gravitationsteori råder fortfarande. "Enligt Einstein, gravitationskraften är en konsekvens av det faktum att massor böjer rumtiden där andra massor rör sig, " säger första författaren Tobias Westphal. "Så vad vi faktiskt mäter här är hur en nyckelpiga förvränger rum-tid."