Подобные эксперименты «привносят порядок во Вселенную, независимо от того, совпадает ли полученное число с ожидаемым значением».
Гравитационная постоянная, которую ласково называют «большой G», — одна из самых фундаментальных констант нашей Вселенной. Её значение описывает силу гравитационного притяжения между двумя массами на заданном расстоянии — или, с точки зрения общей теории относительности, степень искривления пространства-времени данной массой. Физики имеют достаточно точную приблизительную оценку G, но уже более двух столетий пытаются измерить её ещё точнее — и каждая новая попытка даёт слегка отличающиеся значения. Причём действительно «слегка»: расхождения составляют примерно одну десятитысячную.
Тем не менее другие фундаментальные константы известны гораздо точнее. Таким образом, G остаётся «белой вороной» в семействе фундаментальных постоянных и источником разочарования для физиков, увлечённых точной метрологией. Проблема в том, что гравитация чрезвычайно слаба — это безусловно самое слабое из четырёх фундаментальных взаимодействий, — и на её лабораторных измерениях сильно сказывается фоновый шум от гравитационного поля Земли (также известного как «маленькое g»). Эта слабость особенно заметна в лабораторных условиях.
В рамках последней попытки решить эту проблему учёные из Национального института стандартов и технологий (NIST) посвятили последнее десятилетие повторению одного из самых противоречивых экспериментальных результатов недавнего времени. Группа только что обнародовала свои результаты в статье, опубликованной в журнале Metrologia. Это не устраняет расхождение, но даёт физикам ещё одну точку отсчёта в их непрекращающихся поисках более точного значения «большой G».
Исаак Ньютон ввёл понятие гравитационной постоянной, когда опубликовал закон всемирного тяготения в конце XVII века, хотя обозначение «G» появилось только в 1890-х годах. Ньютон полагал, что силу тяжести можно измерить, раскачивая маятник рядом с большой горой и наблюдая его отклонение, но он так и не провёл этот эксперимент, посчитав эффект слишком малым для измерения. К 1774 году Королевское общество создало комитет для определения плотности Земли как косвенного способа измерения G, используя модифицированную версию ньютоновской маятниковой концепции.
Именно Генри Кавендиш в 1798 году впервые провёл прямое лабораторное измерение силы притяжения между двумя телами с помощью торсионных весов, хотя его целью было определение плотности Земли. Устройство представляло собой большую «гантель» с пятисантиметровыми свинцовыми шарами на обоих концах двухметрового деревянного стержня, подвешенного за центр на проволоке, что позволяло ему вращаться. Была и вторая «гантель» с двумя 30-сантиметровыми свинцовыми шарами, каждый весом 160 кг. Когда её подносили к меньшим шарам, их притяжение поворачивало подвешенный стержень.
Кавендиш тщательно регистрировал эти колебания, чтобы измерить силу притяжения больших шаров к меньшим, и на основании этого смог определить плотность Земли. С тех пор его торсионные весы стали своего рода «рабочей лошадкой» для физиков, стремящихся уточнить значение G.
Модернизация эксперимента Кавендиша
Разработка всё более точных экспериментов долгое время оставалась основной стратегией для устранения расхождений. Однако авторы новой статьи поняли, что простого добавления свежих измерений в набор данных будет недостаточно, поскольку прежние противоречивые результаты по-прежнему вносят свой вклад. Поэтому они решили более внимательно изучить одно из самых значительных отклонений — а именно эксперимент 2007 года, проведённый физиками из Международного бюро мер и весов (BIPM) во Франции, в котором использовалась гораздо более совершенная версия торсионных весов Кавендиша.
Команда NIST повторила исходный эксперимент BIPM, построив торсионные весы с восемью металлическими цилиндрами: четырьмя на вращающейся карусели и четырьмя меньшими массами внутри карусели, расположенными на подвешенном диске, удерживаемом тонкой лентой из медно-бериллиевой проволоки. Торсионные весы и лента скручивались, когда внешние массы притягивали внутренние, и физики измеряли G, отслеживая вращение цилиндра и результирующий гравитационный момент. Они также провели второй набор измерений, приложив напряжение к электродам рядом с внутренними массами. Это скручивало проволоку в направлении, противоположном гравитационному моменту, и величина напряжения давала ещё одну оценку G.
Учёные из NIST добавили ещё один интересный момент: они провели эксперимент в двух вариантах — с медными и сапфировыми гирями — и получили почти одинаковые результаты в обоих случаях. Это позволило исключить вероятность того, что на измерения повлияли конкретные используемые материалы. В итоге они получили значение 6,67387×10⁻¹¹ м³•кг⁻¹•с⁻². Это на 0,0235 процента ниже первоначального результата BIPM.
Некоторые могут задаться вопросом, почему физики продолжают пытаться измерять G всё точнее. Одна из причин — это стимулирует создание всё более совершенных приборов для измерения малых сил, моментов и других тонких эффектов, а такие достижения приносят пользу всей науке. Кроме того, «каждое измерение важно, потому что важна истина, — сказал соавтор исследования Стефан Шламмингер, физик из NIST. — Для меня проведение точного измерения — это способ привнести порядок во Вселенную, независимо от того, совпадает ли полученное число с ожидаемым значением или нет».