Подобные эксперименты «привносят порядок во Вселенную, независимо от того, совпадает ли полученное число с ожидаемым значением».

Учёные NIST Стефан Шламмингер (слева) и Винсент Ли осматривают торсионные весы, которые они использовали для измерения гравитационной постоянной («большой G») — работа, длившаяся целых десять лет. Фото: Р. Эскалис/NIST

Гравитационная постоянная, которую ласково называют «большой G», — одна из самых фундаментальных констант нашей Вселенной. Её значение описывает силу гравитационного притяжения между двумя массами на заданном расстоянии — или, с точки зрения общей теории относительности, степень искривления пространства-времени данной массой. Физики имеют достаточно точную приблизительную оценку G, но уже более двух столетий пытаются измерить её ещё точнее — и каждая новая попытка даёт слегка отличающиеся значения. Причём действительно «слегка»: расхождения составляют примерно одну десятитысячную.

Тем не менее другие фундаментальные константы известны гораздо точнее. Таким образом, G остаётся «белой вороной» в семействе фундаментальных постоянных и источником разочарования для физиков, увлечённых точной метрологией. Проблема в том, что гравитация чрезвычайно слаба — это безусловно самое слабое из четырёх фундаментальных взаимодействий, — и на её лабораторных измерениях сильно сказывается фоновый шум от гравитационного поля Земли (также известного как «маленькое g»). Эта слабость особенно заметна в лабораторных условиях.

В рамках последней попытки решить эту проблему учёные из Национального института стандартов и технологий (NIST) посвятили последнее десятилетие повторению одного из самых противоречивых экспериментальных результатов недавнего времени. Группа только что обнародовала свои результаты в статье, опубликованной в журнале Metrologia. Это не устраняет расхождение, но даёт физикам ещё одну точку отсчёта в их непрекращающихся поисках более точного значения «большой G».

Исаак Ньютон ввёл понятие гравитационной постоянной, когда опубликовал закон всемирного тяготения в конце XVII века, хотя обозначение «G» появилось только в 1890-х годах. Ньютон полагал, что силу тяжести можно измерить, раскачивая маятник рядом с большой горой и наблюдая его отклонение, но он так и не провёл этот эксперимент, посчитав эффект слишком малым для измерения. К 1774 году Королевское общество создало комитет для определения плотности Земли как косвенного способа измерения G, используя модифицированную версию ньютоновской маятниковой концепции.

Именно Генри Кавендиш в 1798 году впервые провёл прямое лабораторное измерение силы притяжения между двумя телами с помощью торсионных весов, хотя его целью было определение плотности Земли. Устройство представляло собой большую «гантель» с пятисантиметровыми свинцовыми шарами на обоих концах двухметрового деревянного стержня, подвешенного за центр на проволоке, что позволяло ему вращаться. Была и вторая «гантель» с двумя 30-сантиметровыми свинцовыми шарами, каждый весом 160 кг. Когда её подносили к меньшим шарам, их притяжение поворачивало подвешенный стержень.

Кавендиш тщательно регистрировал эти колебания, чтобы измерить силу притяжения больших шаров к меньшим, и на основании этого смог определить плотность Земли. С тех пор его торсионные весы стали своего рода «рабочей лошадкой» для физиков, стремящихся уточнить значение G.

Модернизация эксперимента Кавендиша

Традиционный эксперимент Кавендиша по измерению силы тяжести.

Установка в NIST для измерения силы тяжести.

Разработка всё более точных экспериментов долгое время оставалась основной стратегией для устранения расхождений. Однако авторы новой статьи поняли, что простого добавления свежих измерений в набор данных будет недостаточно, поскольку прежние противоречивые результаты по-прежнему вносят свой вклад. Поэтому они решили более внимательно изучить одно из самых значительных отклонений — а именно эксперимент 2007 года, проведённый физиками из Международного бюро мер и весов (BIPM) во Франции, в котором использовалась гораздо более совершенная версия торсионных весов Кавендиша.

Команда NIST повторила исходный эксперимент BIPM, построив торсионные весы с восемью металлическими цилиндрами: четырьмя на вращающейся карусели и четырьмя меньшими массами внутри карусели, расположенными на подвешенном диске, удерживаемом тонкой лентой из медно-бериллиевой проволоки. Торсионные весы и лента скручивались, когда внешние массы притягивали внутренние, и физики измеряли G, отслеживая вращение цилиндра и результирующий гравитационный момент. Они также провели второй набор измерений, приложив напряжение к электродам рядом с внутренними массами. Это скручивало проволоку в направлении, противоположном гравитационному моменту, и величина напряжения давала ещё одну оценку G.

Учёные из NIST добавили ещё один интересный момент: они провели эксперимент в двух вариантах — с медными и сапфировыми гирями — и получили почти одинаковые результаты в обоих случаях. Это позволило исключить вероятность того, что на измерения повлияли конкретные используемые материалы. В итоге они получили значение 6,67387×10⁻¹¹ м³•кг⁻¹•с⁻². Это на 0,0235 процента ниже первоначального результата BIPM.

Некоторые могут задаться вопросом, почему физики продолжают пытаться измерять G всё точнее. Одна из причин — это стимулирует создание всё более совершенных приборов для измерения малых сил, моментов и других тонких эффектов, а такие достижения приносят пользу всей науке. Кроме того, «каждое измерение важно, потому что важна истина, — сказал соавтор исследования Стефан Шламмингер, физик из NIST. — Для меня проведение точного измерения — это способ привнести порядок во Вселенную, независимо от того, совпадает ли полученное число с ожидаемым значением или нет».

Как учёные пытаются уточнить значение гравитационной постоянной — «большой G»