После десяти лет напряжённой работы и драматического момента вскрытия запечатанного конверта, научное сообщество всё ещё пребывает в замешательстве относительно истинной природы гравитации. Фото: AI/ScienceDaily.com
На протяжении более двух столетий исследователи бились над определением одного из ключевых чисел в физике — универсальной гравитационной постоянной, именуемой «big G». Эта величина задаёт силу гравитационного взаимодействия во всей Вселенной, оказывая влияние на всё: от падения предметов на Земле до движения галактик. Однако, несмотря на столь продолжительное изучение, учёные до сих пор не могут прийти к консенсусу относительно её точного значения.
Эта неопределённость оказывала колоссальное давление на Стефана Шламмингера, физика из Института стандартов и технологий (NIST), когда он готовился вскрыть запечатанный конверт, хранивший в себе строго засекреченное число. На протяжении почти десяти лет Шламмингер посвятил значительную часть своей карьеры измерению big G с поразительным упорством. Спрятанное внутри конверта число, наконец, должно было позволить ему расшифровать результаты, полученные его командой.
Почему измерить гравитацию так сложно
Гравитация, хоть и формирует космос, поразительно слаба по сравнению с другими фундаментальными силами природы. Электромагнетизм, к примеру, гораздо мощнее. Даже самый маленький магнит способен поднять скрепку, преодолевая притяжение всего гравитационного поля Земли. Эта слабость превращается в серьёзную проблему в лабораторных условиях. Учёным приходится измерять гравитационное притяжение между относительно небольшими объектами, а эти силы невероятно ничтожны. Массы, используемые в экспериментах, примерно в 500 миллиардов триллионов раз меньше земных, поэтому гравитационное притяжение между ними чрезвычайно трудно точно зафиксировать.
Исследователи потратили более 225 лет, пытаясь улучшить измерения big G с тех пор, как Исаак Ньютон впервые математически описал гравитацию. Несмотря на всё более совершенное оборудование, современные эксперименты по-прежнему дают расходящиеся результаты. Разброс значений незначителен — примерно одна часть на 10 000, — но он превышает ожидаемую экспериментальную погрешность. Возникает неудобный вопрос: упускают ли учёные что-то в своих экспериментах, или же в нашем понимании гравитации есть некий фундаментальный изъян?
Воссоздание знаков гравитационного эксперимента
Чтобы разобраться с этим несоответствием, Шламмингер и его коллеги решили воспроизвести высоко оценённый эксперимент, проведённый в 2007 году Международным бюро мер и весов (BIPM) в Севре, Франция. Цель замысла была проста: проверить, сможет ли независимая группа из NIST в Гейтерсбурге, штат Мэриленд, получить аналогичные результаты. Для сохранения объективности и предотвращения предвзятости, точное значение big G, полученное французскими коллегами, было запечатано в конверт, который не вскрывали до завершения всех измерений в США.
получить тот же результат.
Шламмингер также хотел избежать любых возможностей предвзятости. Он забеспокоился, что знание ожидаемого значения может неосознанно повлиять на его анализ. Чтобы предотвратить это, он попросил коллегу Патрика Эбботта зашифровать часть данных.
Эбботт тайно вычислил значение измерений, включающих некоторые экспериментальные массы. Только Эбботт знал этот номер. Пока конверт не был открыт, Шламмингер не имел возможности узнать истинную ценность своего эксперимента.
Момент истины
Конверт однажды уже почти вскрыли. В 2022 году Шламмингер был готов обнародовать результаты, но в последний момент остановился, поняв, что на результаты измерений может незначительно повлиять давление воздуха. Он отложил обнародование и продолжил доработку анализа.
Наконец, 11 июля 2024 года, на ежегодной конференции по прецизионным электромагнитным измерениям в Авроре, штат Колорадо, этот момент настал.
Шламмингер пропустил утренние заседания конференции, обеспокоенные колебаниями температуры, изменениями давления и другими незначительными эффектами, которые могли исказить результаты. «Я действительно расставил все точки над «i» и перечеркнул все «t» эксперимента», — сказал он. — сказал он.
Во время дневной презентации он открыл конверт и прочитал скрытый номер Эбботта. Сначала он чувствовал облегчение. Секретное значение должно было быть большим и отрицательным для проведения эксперимента по ожиданию.
Так и было.
Но по прошествии дня это облегчение исчезло. Это число было слишком большим, чтобы получить результаты научного эксперимента NIST.
Новое несоответствие в Большом G
После двух дополнительных лет детального анализа Шламмингер и его коллеги опубликовали свои результаты в Metrologia . Их обусловленное значение для G составило 6,67387×10-11 метров3/килограмм/секунду2, что на 0,0235% ниже французского измерения.
Это может показаться незначительным, но физики серьезно относятся к таким различиям. Большинство других фундаментальных констант предъявляются к шести или более значащим цифрам с гораздо большей дистанцией.
Расхождение достаточно велико, чтобы произойти на повседневную жизнь. Это не изменяет ваш вес на весах в ванной и не изменяет тому, как производители измеряют такие ингредиенты, как арахисовое масло, в банке емкостью 16 унций. Однако на протяжении всей научной истории мельчайшие несоответствия иногда указывали на крупные открытия и обнаруживали скрытые пробелы в существующих теориях.
Как ученые изучают гравитацию
Эксперименты BIPM и NIST были основаны на устройствах, называемых торсионными весами, которые обнаруживают чрезвычайно малые, аналитические силы, которые сильно скручивают тонкие волокна.
Эта техника восходит к английскому физику Генри Кавендишу, который провел новаторский гравитационный эксперимент в 1798 году. Кавендиш подвесил две свинцовые сферы на проволоке и зафиксировал рядом с более крупными массами. Гравитационное притяжение между ними заставило подвешенную балку слегка вращаться, скручивая проволоку. Измерив это движение, Кавендиш оценил силу гравитации.
Современные версии, используемые BIPM и NIST, были гораздо более продвинутыми. Установки частей восьми круглых металлических масс. Четыре цилиндра большего размера расположились на вращающейся карусели, а четыре массы поменьше подвешивались внутри на медно-бериллиевой ленте толщиной примерно с волос человека.
Поскольку внешние предметы притягивали внутренние части, торсионный баланс вращался и скручивал ленту. Измерение этого крошечного движения производите оценку большого G .
Команды также использовали второй метод, связанный с электричеством. Исследователи подали напряжение на электроды рядом с поверхностью масс, создав электростатическую силу, противодействующую гравитации. Тщательно регулируя напряжение до тех пор, пока баланс не перестанет вращаться, они все равно получили одно и то же измерение G .
Тестирование медных и сапфировых масс
Команда Шламмингера добавила дополнительный этап эксперимента. Чтобы определить, может ли сам материал влиять на измерение, они повторили исследование, используя как медную, так и сапфировую массы.
Результаты были почти подозрительными, что позволяет предположить, что состав массы не был причиной расхождений.
Хотя эксперимент не разрешился тайну, окружающая большая G , он добавил еще одну важную информацию к растущему объему доказательства.
«Каждое измерение важно, потому что правда имеет значение», — сказал он. — сказал Шламмингер. «Для меня точное измерение — это способ навести порядок во Вселенной, независимо от того, согласуется ли число с ожидаемым значением или нет», — сказал он. добавил он.
Потратив десять лет на решение проблем, Шламмингер говорит, что готов двигаться дальше.
«Я оставляю работу над этой проблемой молодому поколению ученых», — сказал он. добавил он.
«Мы должны продолжить».
Большая G против Маленькой г
Закон гравитации Ньютона содержит как "большую G " и «маленькая буква г»; но они рассматривают разные вещи.
Малая g обеспечивает ускорение, вызванное силой тяжести вблизи такого объекта, как Земля. На поверхности Земли малая g составляет около 9,8 м/с2. На Луне, где гравитация слабее, поскольку Луна имеет меньшую массу, небольшая g составляет всего около 1,62 м/с2.
Большой G , напротив, считается универсальным. Ученые полагают, что он имеет одинаковую величину во Вселенной. Он определяет силу гравитации между любыми двумя объектами, будь то планета, люди или лабораторные гири.
Уравнение Ньютона вычисляет гравитационную силу посредством умножения двух масс тела вместе, на квадратное расстояние между ними и умножения на большое G. Математически рассчитанный закон выражается как Gm1m2/r2 .