Определение значения гравитационной постоянной G, которая входит в закон всемирного тяготения, остается одной из самых технически сложных задач современной физики. Несмотря на то что гравитация управляет движением планет, на лабораторном уровне она невероятно слаба — в триллионы раз слабее электромагнитного взаимодействия.
Физикам снова не удалось точно измерить значение гравитационной постоянной
Специалисты Национального института стандартов и технологий (NIST) в США провели десятилетний эксперимент по воспроизведению измерений гравитационной постоянной G. Исследователи перевезли оборудование из Парижа в Мэриленд, чтобы перепроверить аномальные данные 2013 года, но полученный результат снова разошелся с общепринятым в науке значением. Проблема осталась нерешенной и требуются принципиально новые идеи.
Иллюстрация, демонстрирующая, как гравитационные поля Земли и Луны искривляют структуру пространства-времени. Getty Images
Почему так трудно измерить гравитационную постоянную. Главная причина, по которой гравитационная постоянная известна точностью, в тысячи худшей, чем другие мировые константы, например, масса электрона или скорость света, заключается в невозможности создать «гравитационный экран». В физике можно защититься от магнитных полей или электрического шума, но гравитация проникает сквозь любые материалы. Если мимо лаборатории проедет грузовик или изменится уровень грунтовых вод под зданием, это изменит силу притяжения внутри установки. Именно поэтому физики вынуждены тратить десятилетия на изоляцию эксперимента от внешнего мира.
Закон всемирного тяготения
Любой объект в комнате гравитационно влияет на измерительный прибор, и эту силу невозможно экранировать. Десятилетие назад результаты Международного бюро мер и весов (BIPM) дали серьезное отклонение от стандартной статистики, что побудило научное сообщество инициировать беспрецедентную проверку.
Команда NIST приняла этот вызов, перевезла установку через Атлантику и провела серию «слепых» тестов, чтобы исключить предвзятость. Стефан Шламмингер, возглавивший работу, признается, что этот процесс буквально вытягивает душу: «Но как бы то ни было, люди должны измерить это число». Но итог оказался парадоксальным: новое значение не совпало ни с предыдущим французским результатом, ни с рекомендованным мировым стандартом, хотя и помогло выявить скрытые систематические ошибки прошлых измерений.
Стефан Шламмингер (слева) и его коллега Винсент Ли с оборудованием, используемым для измерения величины G.
Ускользающая точность
Работа американских физиков позволила обнаружить технические недочеты, которые исказили данные парижских коллег. Выяснилось, что медные цилиндры, использовавшиеся в качестве масс, имели микроскопические погрешности формы, а внутри вакуумной камеры возникало неучтенное давление газа.
Хотя Шламмингер называет G на данный момент «довольно бесполезным числом» для повседневных инженерных расчетов, уточнение гравитационной постоянной критически важно для фундаментальной науки и космологии. Понимание того, как расширялась ранняя Вселенная и формировались галактики, напрямую зависит от точности этой константы.
Два типа крутильных весов, используемых для измерение гравитационной постоянной.
Ученые надеются, что неудача в достижении консенсуса подтолкнет коллег к поиску принципиально новых методов измерения, использующих атомную интерферометрию или изучение траекторий свободно падающих тел, поскольку классические крутильные весы, кажется, достигли предела своих возможностей в борьбе с неопределенностью.