Паводле легенды, першы эксперымент, які паказаў, што ўсе прадметы падалі з аднолькавай хуткасцю, незалежна ад масы, быў выкананы Галілеем Галілеем на верхняй Пізанскай вежы. Любыя два аб'екты, скінутыя ў гравітацыйным полі, пры адсутнасці (альбо грэбаванні) супраціву паветра будуць паскарацца да зямлі з аднолькавай хуткасцю. Пазней гэта было кадыфікавана ў рамках расследаванняў гэтага пытання Ньютана. (Геці Імідж)

Навукоўцы прызнаюць, што непрыемна, што мы не ведаем, наколькі моцная сіла цяжару

У кожнай фізічнай тэорыі ёсць канстанты. Гравітацыйная канстанта дзіўна нявызначаная.

Калі мы ўпершыню пачалі фармуляваць фізічныя законы, мы зрабілі гэта дасведчаным шляхам: праз эксперыменты. Адкіньце шарык з вежы, як гэта зрабіў Галілей, і вы можаце вымераць як далёкасць і як доўга, каб патрапіць у зямлю. Адпусціце ківач і вы зможаце знайсці залежнасць паміж даўжынёй ківача і колькасцю часу, неабходнага для ваганняў. Калі вы зробіце гэта на працягу некалькіх адлегласцей, даўжынь і разоў, вы ўбачыце, што ўтвараюцца адносіны: адлегласць падальнага аб'екта прапарцыйная часу ў квадраце; перыяд маятніка прапарцыйны плошчы кораня даўжыні маятніка.

Але, каб ператварыць гэтыя прапорцыі ў знак роўнасці, трэба атрымаць пастаянную правільнасць.

Арбіты планет ва ўнутранай Сонечнай сістэме не зусім круглыя, але яны вельмі блізкія, а Меркурый і Марс маюць самыя вялікія адхіленні і найвялікшую эліптычнасць. У сярэдзіне 19-га стагоддзя навукоўцы пачалі заўважаць адступленні ў руху Меркурыя ад прадказанняў гравітацыі Ньютана, невялікага адыходу, што было растлумачана толькі Агульнай адноснасцю ў 20-м стагоддзі. Той самы закон гравітацыі і пастаянны апісвае ўплыў гравітацыі на ўсіх маштабах, ад Зямлі да космасу. (НАСА / JPL)

У гэтых прыкладах, як і ў многіх іншых, гэтая пастаянная прапарцыянальнасць звязана з G, гравітацыйнай канстантай. Месяц круціцца на Зямлі, планеты круцяцца на Сонцы, святло выгінаецца з-за гравітацыйнага лінзіравання, і каметы губляюць энергію, калі яны выбягаюць з Сонечнай сістэмы, усё ў прапорцыі Г. Яшчэ да таго, як Ньютан з'явіўся, у 1640-я і 1650-я гады італьянскія навукоўцы Франчэска Грымальдзі і Джавані Рычыёлі правялі першыя разлікі гравітацыйнай канстанты, гэта значыць, гэта першая фундаментальная канстанта, якая калі-небудзь вызначалася: яшчэ да вызначэння Оле Рэмэра хуткасцю святла ў 1676 годзе.

Закон аб усеагульным гравітацыі Ньютана быў заменены агульнай адноснасцю Эйнштэйна, але абапіраўся на канцэпцыю імгненнага дзеяння (сілы) на адлегласці і неверагодна прамалінейны. Гравітацыйная сталасць у гэтым раўнанні, G, дагэтуль толькі адносна слаба вядомая. (WIKIMEDIA COMMONS DENNIS NILSSON)

Калі вы бярэце любыя дзве масы ў Сусвеце і размяшчаеце іх у непасрэднай блізкасці, яны прыцягваюць. Згодна з законамі Ньютана, якія дзейнічаюць пры ўмовах усіх, акрамя самай экстрэмальнай масы (для вялікай масы) і адлегласці (для невялікіх адлегласцей) ва ўсёй прыродзе, сіла прыцягнення звязана з двума масамі, аддзяленнем паміж імі і G, гравітацыйная пастаянная. На працягу стагоддзяў мы ўдасканальвалі нашы вымярэнні вялікай колькасці фундаментальных канстант да велізарнай дакладнасці. Хуткасць святла, с, дакладна вядома: 299,792,458 м / с. Пастаянная Планка ħ, якая кіруе квантавымі ўзаемадзеяннямі, мае значэнне 1,05457180 × 10 ^ -34 Дж⋅с, з нявызначанасцю ± 0,000000013 × 10 ^ -34 Дж⋅с.

Але G? Гэта зусім іншая гісторыя.

Карыстаецца Ці формулам гравітацыі Ньютана ці Эйнштэйна, сіла сілы вызначаецца часткова велічынёй гравітацыйнай канстанты, значэнне G якой неабходна вымераць дасведчаным шляхам і не можа быць атрымана з якой-небудзь іншай велічыні. (ESO / L. CALÇADA)

У 1930-х гадах вымяраецца G 6,67 × 10 ^ -11 Н / кг² kgм², пазней удасканалены ў 1940-я г. 6673 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м², абодва навукоўца Пол Хейл. Як і варта было чакаць, з цягам часу значэнні станавіліся ўсё лепшымі і лепшымі, а нявызначанасць знізілася з 0,1% да 0,04% да канца 1990-х да ўсяго 0,012%, у асноўным дзякуючы працы Бары Тэйлара ў NIST.

На самай справе, калі вы дастаеце старую копію буклета "Часціцы дадзеных", дзе яны даюць асноўныя канстанты, вы можаце знайсці значэнне G там, якое выглядае добра: 6.67259 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м², з нявызначанасць усяго 0,00085 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м².

Значэнні асноўных канстант, як яны былі вядомыя ў 1998 годзе, і апублікаваныя ў кніжцы 1998 г.

Але потым здарылася нешта смешнае.

Пазней у тым жа годзе эксперыменты, якія праводзіліся, паказалі значэнне, якое было неадпаведна высокім значэнням: 6674 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м². Некалькі каманд, выкарыстоўваючы розныя метады, атрымлівалі значэнні для G, якія супярэчылі адзін аднаму на ўзроўні 0,15%, што больш чым у дзесяць разоў раней паведамлялася аб нявызначанасці.

Як гэта адбылося?

Арыгінальны эксперымент для дакладнага вымярэння G, распрацаваны і апублікаваны Генры Кавендзішам, абапіраецца на прынцып кручэння балансу, які будзе круціцца і рухацца на аснове гравітацыйнага прыцягнення суседняй, добра адмеранай масы. (Х. КАВЕНДЫШ, ФІЛАСОФІЧНЫЯ ПЕРАДАЧЫ КРАЯЛЬНАГА ГРАМАДЗЯНСТВА ЛОНДОН, (ЧАСТКА II) 88 С.469–526 (21 Чэрвень 1798))

Першае дакладнае вымярэнне гравітацыйнай канстанты, незалежнай ад іншых невядомых (напрыклад, масы Сонца ці масы Зямлі), адбылося толькі ў ходзе эксперыментаў Генры Кавендзіша ў канцы 18 стагоддзя. Кавендзіш распрацаваў эксперымент, вядомы як торсійны баланс, дзе мініяцюрная штанга была падвешаная дротам, выдатна збалансаваная. Побач з кожнай з мас на абодвух канцах стаялі дзве вялікія масы, якія гравітацыйна прыцягваюць малыя масы. Колькасць скручванняў, якую выпрабавала мініяцюрная штанга, да таго часу, пакуль былі вядомыя масы і адлегласці, дазволіла б нам эксперыментальна вымераць гравітацыйную канстанту G.

Нягледзячы на ​​шматлікія поспехі ў галіне фізікі за апошнія 200+ гадоў, той самы прынцып, які выкарыстоўваўся ў першапачатковым эксперыменце Кавендзіш, працягвае прымяняцца і сёння ў вымярэннях Г. На 2018 год не існуе ні методыкі вымярэння, ні эксперыментальнай ўстаноўкі, якая б давала выдатныя вынікі . (CHRIS BURKS (CHETVORNO) / WIKIMEDIA COMMONS)

Сур'ёзна падазраецца, што адным з галоўных фактараў з'яўляўся вядомы псіхалагічны фактар ​​перадузятасці. Калі ўсе вашы калегі атрымліваюць вымярэнні, напрыклад, 667259 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м², вы маглі б разлічваць на тое, каб атрымаць нешта накшталт 667224 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м², або 6,67293 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м², але калі ў вас атрымаецца нешта накшталт 6.67532 × 10 ^ -11 Н / кг²мм², вы, напэўна, мяркуеце, што вы зрабілі нешта не так.

Вы будзеце шукаць магчымыя крыніцы памылак, пакуль не знойдзеце іх. І вы будзеце праводзіць эксперымент зноў і зноў, пакуль не атрымаеце што-небудзь разумнае: тое, што было б па меншай меры адпавядала 667259 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м².

У 1997 годзе каманда Беглі і Лютэра правяла эксперымент з кручэннем балансу, у выніку якога атрымалася 6674 х 10 ^ -11 Н / кг² / м², што было ўспрынята дастаткова сур'ёзна, каб выклікаць сумневы ў паведамленай раней значнасці вызначэння Г. (БУДАЧМАННЫЯ / ВІКІМЕДЫЙСКІЯ КАМПАНІІ)

Вось чаму гэта быў такі шок, у 1998 годзе, калі вельмі асцярожная каманда атрымала вынік, які адрозніваўся ўражлівымі на 0,15% ад папярэдніх вынікаў, калі памылкі ў тых папярэдніх выніках лічыліся больш чым на дзесяць разоў ніжэй. гэтая розніца. NIST адказаў, выкінуўшы раней заяўленыя нявызначанасці, і значэнні былі раптам усечаныя, каб даць максімум чатыры значныя лічбы, пры чым значна большая нявызначанасць.

Скрутныя рэшткі і кручэнне маятніка, натхнёныя арыгінальным эксперыментам Кавендзіша, працягваюць лідзіраваць у вымярэннях G, апярэджваючы найноўшую тэхніку эксперыментаў атамнай інтэрфераметрыі. На самай справе, толькі на мінулым тыдні каманда з Кітая заявіла, што атрымае найбольш дакладнае вымярэнне G яшчэ з двух незалежных вымярэнняў: 6.674184 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м² і 6.674484 × 10 ^ -11 Н / кг² kgм², з нявызначанасцю ўсяго 11 частак на мільён на кожнай.

Два метады эксперыментальнай ўстаноўкі былі апублікаваны ў канцы жніўня 2018 года ў Nature, якія далі найбольш дакладныя (заяўленыя) вымярэнні на сённяшні дзень. (Q. LIU ET AL., ПРЫРОДА ТОЛЬКА 560, 582–588 (2018))

Гэтыя значэнні могуць узгадняцца паміж сабой у межах двух стандартных адхіленняў, але яны не згодныя з іншымі вымярэннямі, праведзенымі іншымі групамі за апошнія 15 гадоў, якія вар'іруюцца ад 66757 × 10 ^ -11 Н / кг² kgм² і ад 66719 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м². У той час як іншыя фундаментальныя канстанты, як вядома, вызначаюць паказчыкі дзе-небудзь паміж 8 і 14 значнымі лічбамі, калі гаворка ідзе пра Г., нявызначанасці складаюць ад тысячы да мільярдаў разоў.

Пераход атам з арбіталі 6S, Delta_f1, - гэта пераход, які вызначае метр, секунду і хуткасць святла. Звярніце ўвагу, што фундаментальныя квантавыя канстанты, якія апісваюць наш Сусвет, у шмат тысяч разоў пераўзыходзяць дакладную дакладнасць, чым G, першая пастаянна вымяраемая пастаянная. (А. Фішэр і інш., ПАСЛУГІ АКУСТЫЧНАГА ГРАМАДСТВА АМЕРЫКА (2013))

Гравітацыйная канстанта Сусвету, G, была першай сталасцю, якую можна было вымераць. Тым не менш, больш за 350 гадоў пасля таго, як мы ўпершыню вызначылі яго значэнне, гэта сапраўды бянтэжыць, наколькі малавядомыя ў параўнанні з усімі іншымі канстантамі нашы веды пра гэта. Мы выкарыстоўваем гэтую канстанту ў цэлым шэрагу вымярэнняў і вылічэнняў, ад гравітацыйных хваль да пульсарных часоў да пашырэння Сусвету. Але наша здольнасць вызначыць яго ўкараняецца ў дробных маштабах, зробленых тут, на Зямлі. Самыя мініяцюрныя крыніцы нявызначанасці - ад шчыльнасці матэрыялаў да сейсмічных ваганняў па ўсім зямным шары - могуць уплываць на нашы спробы вызначыць гэта. Пакуль мы не зможам зрабіць лепш, дзе-небудзь важная гравітацыйная з'ява будзе ўласцівая незвычайна вялікая нявызначанасць. 2018 год, і мы яшчэ не ведаем, наколькі моцная гравітацыя на самай справе.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".