Подобные исследования «упорядочивают Вселенную, причём неважно, совпадает ли итоговый результат с теоретическими ожиданиями».
Гравитационная постоянная, которую в научной среде называют «большой G», является фундаментальной константой мироздания. Она определяет силу притяжения между двумя объектами, обладающими массой, или, согласно общей теории относительности, степень деформации пространства-времени под влиянием массы. Несмотря на наличие довольно точных оценок G, физики на протяжении двух столетий стремятся повысить точность её измерения, однако результаты разнятся. Правда, эти отклонения крайне малы — в пределах одной десятитысячной.
Тем не менее, на фоне других констант, известных с гораздо большей точностью, «большая G» остается проблемным исключением, вызывающим досаду у метрологов. Основная трудность заключается в экстремально слабом характере гравитационного взаимодействия — оно самое слабое из четырех фундаментальных сил. Из-за этого лабораторные измерения постоянно искажаются фоновыми помехами от гравитационного поля Земли (так называемого «маленького g»).
Чтобы прояснить ситуацию, команда из Национального института стандартов и технологий (NIST) посвятила десять лет воспроизведению одного из наиболее спорных экспериментов современности. Результаты, обнародованные в журнале Metrologia, не снимают противоречия полностью, но предоставляют новую, важную точку отсчета в стремлении ученых к максимально точному значению этой константы.
Понятие гравитационной постоянной было введено Исааком Ньютоном при формулировке закона всемирного тяготения в конце XVII века, хотя современное обозначение «G» закрепилось лишь спустя два столетия. Сам Ньютон предполагал возможность измерения силы тяжести через отклонение маятника рядом с горным массивом, но отказался от этой идеи из-за ничтожности ожидаемого эффекта. В 1774 году Королевское общество предприняло попытку вычислить плотность Земли, основываясь на модификации маятникового метода Ньютона.
Прорыв совершил Генри Кавендиш в 1798 году, впервые осуществив прямое лабораторное измерение притяжения между телами при помощи торсионных весов. Его установка включала двухметровый стержень с небольшими свинцовыми грузами на концах, подвешенный на проволоке. Рядом размещались 160-килограммовые свинцовые шары, гравитационное воздействие которых заставляло стержень поворачиваться. Анализируя эти колебания, Кавендиш сумел вычислить плотность Земли, а его метод стал эталонным инструментом для последующих поколений физиков.
Эволюция эксперимента Кавендиша
Стремление повысить точность оставалось приоритетом, однако простое накопление данных оказалось неэффективным. Исследователи NIST сфокусировались на анализе существенных расхождений, в частности, данных 2007 года, полученных в Международном бюро мер и весов (BIPM), где использовалась усовершенствованная версия торсионных весов.
Команда NIST сконструировала прибор с восьмью цилиндрами, закрепив их на вращающейся платформе и подвесном диске. Измеряя вращательный момент, возникающий при гравитационном взаимодействии, физики вычисляли G. Для верификации был применен дополнительный метод: создание противодействующего электрического момента с помощью электродов, где значение приложенного напряжения служило независимым показателем.
Оригинальность подхода NIST заключалась в использовании грузов из различных материалов — меди и сапфира. Сходство результатов подтвердило отсутствие влияния свойств материала на конечные измерения. Полученное значение 6,67387×10⁻¹¹ м³•кг⁻¹•с⁻² оказалось на 0,0235 процента ниже результатов BIPM.
Смысл постоянной «охоты» за точностью G выходит за рамки простого уточнения цифр. Такие исследования двигают прогресс в создании прецизионной измерительной аппаратуры, принося пользу всей научной отрасли. Как отмечает соавтор работы Стефан Шламмингер, каждое точное измерение ценно само по себе, ведь стремление к истине позволяет привести наше понимание Вселенной в порядок, невзирая на то, подтверждаются ли при этом исходные гипотезы.
