Физики измерили гравитацию точнее, чем когда-либо ранее
Уже несколько столетий физики пытаются измерить силу гравитации — гравитационную постоянную G. Полученные значения никогда не совпадали друг с другом, что наводит на мысль: либо мы неправильно ставим опыты, либо не до конца понимаем саму гравитацию.
Результаты нового эксперимента, опубликованные в Metrologia, ситуацию сильно не улучшили. Но проведен он был с такой точностью и тщательностью, что вселяет надежду на консенсус научного сообщества в этом вопросе.
Гравитация гораздо слабее остальных фундаментальных взаимодействий, что и делает ее измерение настолько сложным. «В детстве нас всех завораживали магниты — как они притягиваются друг к другу. С гравитацией то же самое: если взять две кофейные кружки — по одной в каждую руку, — между ними будет действовать сила притяжения, но она настолько мала, что мы ее не чувствуем, поэтому и восторга нет», — объясняет физик Штефан Шламмингер из Национального института стандартов и технологий (NIST), руководивший исследованием.
Вторая причина: в отличие от других сил, эксперимент невозможно экранировать от гравитации. В 1798 году физик Генри Кавендиш обошел эту проблему с помощью устройства, которое называется крутильные весы. Благодаря этому он впервые измерил гравитацию, пусть и с невысокой точностью.
Как измеряли
Крутильные весы устроены в общем-то довольно просто. Представьте себе зубочистку, горизонтально подвешенную на нити за середину. На каждом ее кончике — по маленькому шарику. Если поднести к весам какой-нибудь предмет, его гравитация притянет шарик, и зубочистка слегка повернется. Измеряя угол поворота, можно рассчитать силу гравитации между шариком и внешним объектом, не беспокоясь о земном притяжении — его компенсирует нить подвеса.
Эксперимент, который провели Шламмингер и его коллеги, представлял собой гораздо более совершенную версию такой установки. В нем использовались восемь грузов, размещенных на двух точно выверенных поворотных столах, а вся система была подвешена на лентах толщиной примерно в человеческий волос. Это было кропотливое воспроизведение опыта, впервые выполненного во Франции в 2007 году. Исследователи потратили десять лет на то, чтобы измерить и по возможности исключить все мыслимые источники неопределенности.
«Это экспериментальная физика в ее лучшем проявлении», — говорит профессор Йенс Гундлах из Вашингтонского университета.
«Тщательность, с которой они подошли к делу, и множество различных эффектов, которые они изучили, — их эксперимент задает новую высокую планку в этом направлении исследований», — согласен физик Кейси Вагонер из Университета штата Северная Каролина.
По результатам этого эксперимента G = 6,67387·10⁻¹¹ м³·кг⁻¹·с⁻².
Это на доли процента ниже измерения 2007 года, но как раз настолько, чтобы сблизить данный результат с другими опытами, проведенными за прошедшие годы.
«Измерение G — это не просто измерение гравитации. Это оценка, насколько хорошо мы вообще можем ее измерять. И она стоит над эпохами в физике. Мы можем сравнить наш эксперимент с опытом Кавендиша 230-летней давности, а через 230 лет ученые смогут сравнить свои результаты с нашими. В конечном счете, мне кажется, все сведется к тому, когда исследователи сумеют измерить эту величину точнее всех — то есть с наименьшими расхождениями между разными результатами», — считает Шламмингер.
Что дальше
По мнению Гундлаха, выявив несколько ранее неизвестных источников неопределенности, экспериментаторы из NIST улучшили достоверность измерений: «Общая картина теперь выглядит лучше — заслуживающей большего доверия и надежности».
Кроме того, заложен задел для будущих экспериментов, которые позволят измерить G еще точнее. Это важно для космологии, которая во многом опирается на понимание гравитации. «Всякие странности здесь могут сказаться на всем — от масштаба лаборатории до масштаба Вселенной. То, что в лаборатории выглядит крошечным, ничтожным расхождением, при переносе на космические масштабы многократно усиливается и может иметь очень серьезные последствия», — предупреждает Вагонер.
Итогом байесовского усреднения тысяч и тысяч измерений, проведенных в NIST, стали четыре обобщенных результата — и они не совпадают не только с принятым в научном сообществе значением G, но и друг с другом. Скорее всего, где-то что-то не учли — хотя причина может быть куда глобальнее, допускает Шламмингер: может быть, это предпосылки к созданию новой физики. «В нашем понимании науки есть изъяны, и их нужно изучить. Может, там и нет ничего — но было бы глупо не проверить», — заключил он.
