|
Размышляя о тайне гравитационной постоянной
|
|
|
|
Пришло время вскрыть конверт, но Стефан Шламмингер, физик из Национального института стандартов и технологий (NIST), не был уверен, что хочет знать секретное число, лежащее внутри. Последние 10 лет Шламмингер проводил большую часть своего рабочего времени, пытаясь измерить одну-единственную величину, известную как универсальная гравитационная постоянная, которая определяет силу притяжения повсюду во Вселенной. Секретный номер позволил бы Шламмингеру расшифровать свои данные и получить ответ.
|
|
|
|
Гравитация удерживает нас на земле, удерживает планеты на орбитах вокруг Солнца, собирает звезды и другую материю, образуя галактики, и формирует скопления галактик, сплетая паутину Вселенной. Но ее сила, выражаемая как "большое G", точно не известна.
|
|
|
|
Шламмингер знал, что, несмотря на свою важность, большое G, как известно, трудно поддается точному измерению. Ученые пытаются измерить эту постоянную уже более 225 лет, спустя столетие после того, как Исаак Ньютон опубликовал свой знаменитый закон всемирного тяготения. Но его значение остается наименее известным из четырех фундаментальных взаимодействий в природе, которые также включают электромагнетизм и сильное и слабое ядерное взаимодействие.
|
|
|
|
Отчасти это объясняется тем, что гравитация - самая слабая из четырех сил. Даже магнит размером не больше булавочной головки может оторвать скрепку от пола, создавая электромагнитную силу, намного превышающую направленное вниз притяжение всего гравитационного поля Земли.
|
|
|
|
|
|
|
Врожденная слабость гравитации усиливается в лаборатории, где исследователи могут измерить большое G только путем изучения гравитационного притяжения между массами, достаточно малыми, чтобы их можно было взвесить и переместить. Эти массы примерно в 500 миллиардов триллионов раз меньше земной, и поэтому гравитационное притяжение, которое ученым необходимо измерить, намного слабее.
|
|
|
|
Несмотря на то, что эксперименты стали более чувствительными и сложными, многие недавние измерения большого G показали несколько иные значения. Хотя различия незначительны, примерно одна часть на 10 000, они все еще слишком велики, чтобы их можно было объяснить обычными экспериментальными ошибками.
|
|
|
|
Это несоответствие породило тревожную загадку. Существует ли какая—то упущенная экспериментальная ошибка, вызвавшая несоответствия — наиболее вероятное объяснение - или в нашем понимании гравитации есть что-то фундаментально неправильное?
|
|
|
|
Именно это Шламмингер и его коллеги пытались выяснить, тщательно повторив эксперимент по точности измерений, проведенный Международным бюро мер и весов (BIPM) в Севре, Франция, в 2007 году. Если бы Шламмингер смог независимо воспроизвести те же результаты этого исследования в кампусе NIST в Гейтерсберге, штат Мэриленд, тайна могла бы быть разгадана.
|
|
|
|
Шламмингер опасался, что он может неосознанно исказить результаты своих измерений, чтобы они не совпадали со значением G, которое исследователи нашли во французском эксперименте. Чтобы соответствовать своим собственным скрупулезным стандартам, Шламмингер попросил своего коллегу Патрика Эбботта скремблировать данные. Эббот сделал это, вычтя известное только ему число из веса некоторых масс в эксперименте NIST, которые он тщательно измерил. Используя эту стратегию, Шламмингер не знал бы фактического значения большого G, которое измерила его команда. То есть не раньше, чем он распечатает конверт и прочтет секретный номер внутри.
|
|
|
|
Однажды, в 2022 году, Шламмингер был готов разоблачить скрытое число, но в последнюю минуту отказался, поняв, что упустил из виду тонкий, но важный фактор, связанный с давлением воздуха, который мог исказить результаты. Теперь, 11 июля 2024 года, в 15:00 Шламмингер должен был доложить о своих результатах на ежегодной конференции по прецизионным электромагнитным измерениям в Авроре, штат Колорадо.
|
|
|
|
Слишком взволнованный, чтобы присутствовать на утренних заседаниях конференции, Шламмингер размышлял обо всех возможных факторах, включая колебания температуры и давления, которые могли бы помешать измерениям его команды. В меру своих возможностей он учел каждый из них. "Я действительно расставил все точки над "i" и "т" в этом эксперименте", - сказал он.
|
|
|
|
Во время своего дневного выступления Шламмингер наконец прочитал номер, который Эббот поместил на конверте, и почувствовал мгновенное облегчение. Чтобы получить ожидаемые результаты, секретное число должно было быть относительно большим и отрицательным.
|
|
|
|
Это было.
|
|
|
|
Но в течение дня его энтузиазм угас. Величина числа была слишком велика, чтобы его результаты могли сравниться с результатами французского эксперимента.
|
|
|
|
После еще двух лет тщательного анализа Шламмингер и его сотрудники опубликовали свои результаты в Metrologia. Измеренное командой значение G, равное 6,67387x10-11 метрам3/килограмм/секунда2, на 0,0235% ниже результата французов. Учитывая, что все остальные константы в природе известны с точностью до шести и более значащих цифр, это заметная разница.
|
|
|
|
Это несоответствие недостаточно велико, чтобы изменить ваш вес на весах для ванной комнаты или количество арахисового масла, необходимое для приготовления продукта весом 16 унций. Но на протяжении всей истории науки небольшие расхождения в измерениях иногда выявляли трещины в нашем понимании Вселенной и приводили к новым поразительным открытиям о том, как устроен космос.
|
|
Эксперимент, уходящий корнями в историю
|
|
|
|
Измерения BIPM и NIST проводились с помощью торсионных весов - устройства, которое определяет незначительные усилия путем измерения угла скручивания тонкого подвешенного волокна. Этот метод основан на эпохальном эксперименте, проведенном английским физиком Генри Кавендишем в 1798 году.
|
|
|
|
Кавендиш поместил два свинцовых шарика на противоположных концах деревянной балки, горизонтально подвешенной в центре на тонкой проволоке. Рядом он разместил два гораздо более тяжелых предмета, подвешенных отдельно. Гравитационное притяжение между меньшей и более тяжелой массами заставляло деревянную балку вращаться, скручивая проволоку до тех пор, пока создаваемый ею крутящий момент не уравновесил силу тяжести. Движение деревянной балки, измеренное с помощью зеркала и световой указки, показало величину большого G.
|
|
|
|
В более сложных экспериментах BIPM и NIST использовались восемь металлических цилиндрических масс. Четыре цилиндра были установлены на вращающейся карусели, напоминая четыре подсвечника в старомодной люстре. Остальные четыре массы меньшего размера были размещены внутри карусели, на диске, подвешенном на медно-бериллиевой ленте толщиной с человеческий волос.
|
|
|
|
Когда внешние массы притягиваются к внутренним, вращаются торсионные весы и металлическая лента изгибается. Точное отслеживание вращения и гравитационного момента, или скручивания, стало одним из показателей G. Но обе команды пошли еще дальше.
|
|
|
|
Во второй серии измерений исследователи приложили напряжение к электродам, расположенным рядом с каждой из внутренних масс. Напряжение создало электростатический момент, который скрутил проволоку в направлении, противоположном гравитационно-индуцированному моменту. Тщательно подобрав напряжение, которое в точности уравновешивало гравитационный момент, исследователи предотвратили вращение торсионных весов. Величина напряжения дала еще одну оценку большого G.
|
|
|
|
Команда Шламмингера добавила к исследованию еще один вариант. В попытке определить, влияет ли состав масс каким-либо образом на их измерение, исследователи сначала провели эксперимент с медными массами, а затем повторили исследование с сапфировыми. Команда получила практически идентичные результаты.
|
|
|
|
Хотя исследование NIST, которое проводилось десять лет, не решило проблему с большим G, теперь оно добавлено к совокупности научных данных. "Каждое измерение важно, потому что важна истина", - сказал Шламмингер. "Для меня проведение точных измерений - это способ навести порядок во вселенной, независимо от того, соответствует ли полученное число ожидаемому значению или нет", - добавил он.
|
|
|
|
После многих лет работы Шламмингер говорит, что посвятил достаточно времени погоне за большим G. "Я предоставляю молодым поколениям ученых работать над этой проблемой", - добавил он. "Мы должны двигаться дальше".
|
|
|
|
Источник
|
