Нове вимірювання сталої гравітації ще більше заплутало фізиків

Полювання на «велику G», що триває понад два століття

Фізик Штефан Шламмінгер (Stephan Schlamminger) з NIST протягом десяти років намагався якомога точніше виміряти універсальну гравітаційну сталу, відому як «велика G». Вона визначає силу гравітаційного притягання в усьому Всесвіті – від лабораторних мас до галактик.

Попри більш ніж 225 років експериментів, G залишається відомою гірше, ніж аналогічні константи для інших фундаментальних взаємодій: електромагнітної, сильної та слабкої ядерних сил. Одна з причин – виняткова слабкість гравітації. Маленький магніт здатний підняти скріпку проти тяжіння всієї Землі, тобто електромагнітна сила легко «перемагає» гравітацію.

У лабораторії фізики не можуть рухати планети, тому змушені вимірювати притягання між малими тілами, які приблизно у 500 мільярдів трильйонів разів легші за Землю. Відповідні сили настільки слабкі, що будь-яка дрібна похибка може вплинути на результат.

Чому результати не збігаються

Сучасні прилади надзвичайно чутливі, але незалежні вимірювання G все ще дають трохи різні значення – розбіжність порядку однієї частини на 10 000. Це більше, ніж очікувані випадкові похибки, і вже тривалий час турбує фізиків.

Найпростіше пояснення – непомічений систематичний ефект в експериментах. Але є й більш приваблива для теоретиків можливість: можливо, наше розуміння гравітації ще не повне.

Щоб прояснити ситуацію, команда NIST вирішила максимально точно повторити експеримент, проведений у 2007 році Міжнародним бюро мір і ваг (BIPM) у Севрі, Франція. Ідея була проста: якщо незалежна група, використовуючи ту саму методику, отримає те саме значення G, це зміцнить довіру до результату.

Зашифровані дані й конверт, що чекав 10 років

Шламмінгер побоювався ще одного джерела похибки – людського фактора. Якщо дослідник знає, на яке число «чекає», це може несвідомо вплинути на обробку даних. Щоб уникнути цього, він попросив колегу Патріка Ебботта (Patrick Abbott) «засліпити» експеримент.

Ебботт відняв секретне число від зважених мас у частині вимірювань. Лише він знав цю поправку, тому команда могла аналізувати дані, не знаючи, яке реальне значення G вони фактично отримують. Число, необхідне для відновлення справжнього результату, було запечатане в конверт.

Розкрити конверт планували ще в 2022 році, але в останній момент Шламмінгер зрозумів, що не до кінця врахував тонкий ефект зміни тиску повітря. Оскільки для такого чутливого експерименту важливі навіть мікроскопічні впливи, оголошення результату відклали й продовжили аналіз.

Нарешті, 11 липня 2024 року, перед доповіддю на конференції з прецизійних електромагнітних вимірювань у Колорадо, настав момент істини. Шламмінгер зізнається, що був настільки напружений, що пропустив ранкові сесії, в думках знову перевіряючи усі можливі джерела помилок – від температури до тиску.

Під час виступу він відкрив конверт і побачив, що прихована поправка дійсно велика й від’ємна – саме такою вона мала бути, щоб підтвердити очікуваний результат. Спочатку це здавалося добрим знаком, але згодом виявилося, що поправка занадто велика: коли «засліплення» зняли, значення G від NIST не збіглося з французьким.

Новий результат і чому він важливий

Після ще двох років додаткових перевірок команда опублікувала значення G у журналі Metrologia: 6,67387 × 10⁻¹¹ м³/кг/с². Це на 0,0235% менше, ніж у вимірюванні BIPM.

У повсякденному житті така різниця не має жодного відчутного ефекту: вона не змінить покази побутових ваг і не вплине на кількість арахісового масла в 16-унційній банці. Але для фундаментальної фізики це помітне розходження. Інші константи природи відомі з точністю до шести й більше значущих цифр, тоді як для G значна невизначеність зберігається.

Історично маленькі розбіжності між вимірюваннями часто ставали підказкою до великих відкриттів: вони виявляли, що в теорії або експериментах бракує важливої деталі. Це не означає, що проблема з G обов’язково веде до «нової фізики» – найімовірніше, десь все ще ховається систематична помилка. Але поки експерименти не сходяться, загадка залишається.

Торсійні ваги від Кавендіша до надточних установок

І BIPM, і NIST використали метод, що походить ще з 1798 року. Їхні вимірювання ґрунтувалися на торсійній терезі – приладі, який фіксує дуже малі сили за тим, наскільки закручується тонке підвішене волокно.

Англійський фізик Генрі Кавендіш ще наприкінці XVIII століття підвісив на горизонтальній балці два свинцеві кулі, а поруч розмістив дві набагато важчі маси. Взаємне притягання змушувало балку обертатися, скручуючи дріт, доки його пружність не врівноважувала гравітаційну силу. За крихітним відхиленням, виміряним за допомогою дзеркала і світлового променя, він зміг оцінити гравітаційну взаємодію і, по суті, отримати значення G.

Сьогодні принцип той самий, але апаратура незрівнянно складніша й точніша.

Як саме NIST вимірювали G

В експериментах BIPM і NIST використовували вісім металевих циліндрів. Чотири більші розташували на обертовій каруселі – конфігурація нагадувала чотири свічки на люстрі. Ще чотири менші маси розмістили всередині каруселі на диску, підвішеному на стрічці з мідно-берилієвого сплаву, товщиною приблизно з людське волосся.

Гравітаційне притягання між зовнішніми і внутрішніми масами змушувало підвішену систему повертатися, скручуючи тонку стрічку. За дуже точними вимірюваннями цього руху й відповідного крутного моменту вчені обчислювали одне значення G.

Другий підхід у тому самому експерименті передбачав додавання електростатичної сили. Поруч з внутрішніми масами розташували електроди й подавали на них напругу, створюючи електростатичний крутний момент у протилежний бік від гравітаційного. Напругу змінювали доти, доки обидві сили точно не врівноважувалися і торсійна тереза переставала обертатися. Оскільки напругу можна виміряти з винятковою точністю, це дає альтернативний спосіб розрахувати G.

Мідь чи сапфір – гравітації байдуже

Команда Шламмінгера додала ще одну перевірку: вони хотіли з’ясувати, чи може результат залежати від матеріалу, з якого зроблені маси. Спочатку вимірювання проводили з мідними циліндрами, а потім повністю повторили дослід, замінивши їх на сапфірові.

Обидва набори вимірювань дали по суті однакове значення G. Це дозволило відкинути версію, що аномалія пов’язана з властивостями конкретного матеріалу, але не розв’язало головної проблеми – узгодити всі прецизійні вимірювання між собою.

Після десяти років роботи результат NIST став ще однією важливою точкою у великій картині спроб точно визначити справжнє значення G. Сам Шламмінгер каже, що для нього точне вимірювання – це спосіб «привнести лад у Всесвіт», незалежно від того, збігається число з очікуваннями чи ні. Тепер він готовий передати естафету молодшим дослідникам і вважає, що роботу потрібно продовжувати.

Велика G проти малої g

У текстах про гравітацію часто фігурують дві літери g, але вони означають різні величини. «Мала g» – це прискорення вільного падіння, яке тіло отримує через притягання великого масивного об’єкта, наприклад Землі. Воно змінюється залежно від місця: біля поверхні Землі g ≈ 9,8 м/с², тоді як на Місяці лише близько 1,62 м/с².

«Велика G» вважається універсальною: згідно з сучасними знаннями, вона має однакове значення в будь-якій точці Всесвіту. Саме G визначає гравітаційну силу між будь-якими двома тілами – від лабораторних мас до далеких зірок.

У законі всесвітнього тяжіння Ньютона сила притягання між двома масами m₁ і m₂ обчислюється так: їх перемножують, ділять на квадрат відстані r між ними й множать на G – тобто F = Gm₁m₂/r². Попри уявну простоту цієї формули, чисельне значення G залишається однією з найскладніших для точного вимірювання величин у фізиці навіть через понад два століття після перших експериментів.

Нове вимірювання сталої гравітації ще більше заплутало фізиків з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com