Хабрахабр

[Перевод] Учёные смущённо признают, что до сих пор не знают точной величины гравитационного взаимодействия


По легенде, первый эксперимент, показавший, что все объекты падают с одной скоростью, вне зависимости от массы, провёл Галилео Галилей, стоя на вершине Пизанской башни. Два любых объекта, брошенных вниз в гравитационном поле, в отсутствии сопротивления воздуха (или при пренебрежении им) будут ускоряться одинаково. Позже это правило было кратко записано Ньютоном после изучения им данного вопроса.

Бросьте шар с башни, как это, возможно, сделал Галилей, и вы сможете измерить, сколько он пролетит и через какое время упадёт. Впервые начав формулировать законы физики, мы делали это эмпирически: посредством экспериментов. Проделав это с различными расстояниями, длинами и временными отрезками, вы начнёте замечать систему: высота падения объекта пропорциональна квадрату времени, период маятника пропорционален квадратному корню его длины. Отпустите маятник, и вы сможете обнаружить взаимосвязь между его длиной и количеством времени на один период.

Меркурий и Марс дальше всего отклоняются от идеала, демонстрируя эллиптичность орбит. Но чтобы превратить пропорции в уравнения, нужно подобрать одну константу.

Орбиты планет внутренней Солнечной системы не идеально круглые, но близки к окружностям. Один и тот же закон гравитации, и одна и та же константа, описывают воздействие гравитации на всех масштабах, от Земли до космоса. В середине XIX века учёные начали замечать отклонения Меркурия от предсказаний Ньютоновской гравитации, которые смогла объяснить только Общая теория относительности в XX веке.

Луна движется вокруг Земли, планеты – вокруг Солнца, свет искажается гравитационным линзированием, кометы теряют энергию, убегая из Солнечной системы – и всё это происходит пропорционально G. В этих примерах, и во многих других, в роли константы пропорциональности выступает G, гравитационная постоянная. Ещё до Ньютона, в 1640-х и 1650-з итальянские учёные Франческо Гримальди и Джованни Риччоли выполнили первые расчёты гравитационной постоянной, что означает, что она стала первой из всех определённых фундаментальных констант, опередив даже определение скорости света в 1676 году, выполненное Оле Рёмером.

Он основывался на мгновенном дальнодействии и был чрезвычайно прямолинеен.
Ньютоновский закон всемирного тяготения заменила Общая теория относительности Эйнштейна. Величина гравитационной постоянной G из этого уравнения до сих пор известна очень плохо.

Согласно законам Ньютона, действующим для всех масс, кроме чрезвычайно больших, и для всех небольших расстояний, сила тяготения связана с обеими массами, разделяющим их расстоянием и гравитационной постоянной G. Если взять две массы во Вселенной и разместить их вблизи друг друга, они будут притягиваться. Скорость света c известна точно: 299,792,458 м/с. Несколько веков мы уточняли наши измерения множества фундаментальных констант до невероятной точности. Постоянная Планка ħ, управляющая квантовыми взаимодействиями, имеет значение 1,05457180 × 10-34 Дж*с, с погрешностью в ± 0,000000013 × 10-34 Дж*с.

Но с G выходит совершенно другое дело.


Используем ли мы описание гравитации от Ньютона или Эйнштейна, величина силы определяется, в частности, величиной гравитационной постоянной G, чьё значение приходится измерять экспериментально, и нельзя вывести из других.

Как можно было ожидать, со временем значения постоянно улучшались, а погрешность падала с 0,1% до 0,04%, и дошла до 0,012% в конце 1990-х благодаря работам Барри Тэйлора из NIST. В 1930-х для значения G было получено 6,67 × 10-11 Н*м2/кг2, в 1940-х её уточнили до 6,673 × 10-11 Н*м2/кг2, причём оба измерения проделал Пол Хейл.

Если взглянуть на старую копию буклета данных по частицам, в котором приводились значения фундаментальных констант, то там можно найти значение G, равное 6,67259 × 10-11 Н*м2/кг2, с погрешностью всего в 0,00085 × 10-11 Н*м2/кг2.


Значения фундаментальных констант на 1998 год

А затем произошло нечто забавное.

Разные команды, использовавшие разные методы, получали значения G, не совпадавшие друг с другом на 0,15%, что больше, чем в десять раз превышает погрешность, о которой сообщали ранее. Позже в том году проведенные эксперименты обнаружили значение, бывшее слишком высоким для указанной величины: 6,674 × 10-11 Н*м2/кг2.

Как это произошло?


Первоначальный эксперимент по точному измерению G, разработанный и опубликованный Генри Кавендишем, основывается на принципе крутильных весов, крутящихся в зависимости от гравитационного притяжения недалеко расположенной массы хорошо известной величины.

Кавендиш разработал эксперимент, известный, как крутильные весы, в котором небольшая гантель была подвешена и идеально сбалансирована на проводе. Первое точное измерение гравитационной постоянной, не зависящее от других неизвестных (к примеру, от массы Солнца или массы Земли) состоялось только в эксперименте Генри Кавендиша в конце XVIII века. Величина поворота гантели при известных расстояниях и массах давала нам возможность измерить G экспериментально. Рядом с каждой из масс на конце гантели располагались две массы побольше, гравитационно притягивавшие небольшие массы.

Вплоть до сегодняшнего дня никакая другая техника измерения или устройство эксперимента не дали лучших результатов.
Несмотря на множество прорывов в физике за последние 200 с лишним лет, в экспериментах по измерению G используется тот же принцип, что использовался в эксперименте Кавендиша.

Если все ваши коллеги получают результат вида 6,67259 × 10-11 Н*м2/кг2, разумно ожидать, что и вы получите результат типа 6,67224 × 10-11 Н*м2/кг2, или 6,67293 × 10-11 Н*м2/кг2; но если вы получаете что-то вроде 6,67532 × 10-11 Н*м2/кг2, вы решите, что сделали что-то не так. Есть подозрение, что одной из причин расхождений служит хорошо известный психологический фактор предвзятости подтверждения.

Вы будете снова и снова повторять эксперимент, пока не получите нечто разумное: что-то, не противоречащее величине 6,67259 × 10-11 Н*м2/кг2. Вы будете искать источники ошибки, пока не найдёте.


В 1997 году команда Бэгли и Лютера провела эксперимент с крутильными весами, давший результат в 6,674 × 10-11 Н*м2/кг2, который приняли достаточно серьёзно для того, чтобы подвергнуть сомнению предыдущую погрешность измерений G

NIST в ответ отвергла предыдущие погрешности, и полученные значения урезали до четырёх значимых цифр, а погрешность увеличили. Поэтому таким шоком стало событие 1998 года, когда очень тщательно работающая команда получила результат, отличающийся на невероятные 0,15% от предыдущих, в то время как заявленные погрешности предыдущих измерений были в десять раз меньше этого.

Только в этом августе китайская команда заявила о получении наиболее точного значения G из двух независимых измерений: 6,674184 × 10-11 Н*м2/кг2 и 6,674484 × 10-11 Н*м2/кг2 с погрешностями в 0,0011%. Крутильные весы и крутильные маятники, сделанные под влиянием первоначального эксперимента Кавендиша, продолжают лидировать в измерениях G, опережая более современные технологии атомной интерферометрии.


Две экспериментальные установки, схемы которых были опубликованы в августе 2018 в журнале Nature, дали наиболее точные (по заявлению учёных) значения для G

В то время, как другие фундаментальные константы известны с точностью от 8 до 14 значимых цифр, при измерении G погрешности получаются в тысячи или миллиарды раз большими. Эти значения согласуются друг с другом в пределах двух среднеквадратичных отклонений, но не согласуются с другими измерениями, сделанными другими командами за 15 последних лет, разнящимися от 6,6757 × 10-11 Н*м2/кг2 до 6,6719 × 10-11 Н*м2/кг2.

Точность определения квантовых констант в тысячи раз превышает точность измерения G, первой из измеренных констант.
Атомный переход с орбитали 6S, Delta_f1, определяет метр, секунду и скорость света.

Однако же, спустя 350 лет после первого измерения, стыдно констатировать, насколько плохо она известна по сравнению со всеми другими. Гравитационная постоянная Вселенной, G, была первой из измеренных. И всё же наша возможность определять её основывается на мелкомасштабных экспериментах, проводимых на Земле. Мы используем эту константу в огромном количестве измерений и расчётов, от гравитационных волн до пульсаров, отмеряющих расширение Вселенной. И пока мы не сумеем достичь большего, везде, где важна гравитация, будет присутствовать внутренняя, неприятно большая погрешность. В наши попытки измерить её проникают крохотные источники неопределённости, от плотности материалов до сейсмических колебаний. На дворе 2018 год, а мы всё ещё не знаем, насколько велика на самом деле гравитация.

Читайте: необходима ли тектоника плит для образования жизни на планете; откуда берётся энергия в тёмной энергии; не приведёт ли деятельность человека к межзвёздной войне; существует ли полезное для здоровья количество алкоголя; серию статей по космологии "Спросите Итана". Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net.

Спасибо всем, кто уже оказал поддержку! Не стесняемся поддерживать проект материально (банковские карты, яндекс.деньги, вебмани, биткоины, да как угодно).

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть