Гравитация присутствует повсюду. Это сила, которая удерживает Землю на ее орбите вокруг Солнца, не дает деревьям расти вечно и удерживает хлопья на завтрак в своей миске. Она также является важным компонентом нашего понимания Вселенной.
Но насколько сильна эта сила? Мы знаем, что гравитация действует одинаково, будь объект легким, как перышко, или тяжелым, как камень, но в остальном у ученых нет точного ответа на этот вопрос, несмотря на то, что гравитация в космосе изучается веками.
Согласно закону всемирного тяготения Исаака Ньютона, сила гравитации, притягивающая два объекта (или частицы) друг к другу, становится тем сильнее, чем массивнее эти объекты и чем ближе они друг к другу. Например, сила притяжения между двумя перьями, находящимися на расстоянии пяти дюймов друг от друга, слабее, чем между двумя яблоками, находящимися на одинаковом расстоянии друг от друга. Однако точный расчет силы зависит от универсальной переменной, называемой гравитационной постоянной, которая в уравнениях обозначается буквой "G".
Физики не знают точно, какое значение присвоить "G". Но новый подход, разработанный в Швейцарии, может принести новые идеи о том, как лучше тестировать гравитацию в первую очередь.
"Эти фундаментальные константы, по сути, вписаны в ткань Вселенной", - говорит Стефан Шламмингер, физик из Лаборатории физических измерений Национального института стандартов и технологий. "Люди могут проводить эксперименты, чтобы выяснить их значение, но мы никогда не узнаем истинного значения. Мы можем все ближе и ближе подходить к истине, эксперименты могут становиться все лучше и лучше, и в конце концов мы приблизим истинное значение".
Почему "G" так трудно измерить?
В отличие от подсчета, измерение по своей сути неточно, говорит Шламмингер, который является председателем рабочей группы по ньютоновской постоянной гравитации Международного союза теоретической и прикладной физики.
"Если взять рулетку и измерить длину стола, допустим, она окажется между двумя галочками. Теперь вы должны использовать свой глаз и определить, где находится [число]", - говорит он. "Может быть, вы можете использовать микроскоп или что-то еще, и чем более совершенной будет техника измерения, тем меньше и меньше будет становиться ваша неопределенность. Но неопределенность есть всегда".
По словам Шламмингера, с гравитационной постоянной та же проблема, поскольку исследователи всегда будут измерять силу между двумя объектами в каком-то приращении, что требует от них включать некоторую неопределенность в свои результаты.
Кроме того, сила гравитации, которую можно испытать между объектами в лаборатории, всегда будет ограничена размерами помещения. Таким образом, измерение различных масс с помощью сложных инструментов становится еще более сложной задачей.
Наконец, всегда возможны помехи в показаниях, говорит Юрг Дуаль, профессор механики и экспериментальной динамики в ETH Zurich, который провел новый эксперимент по повторному определению гравитационной постоянной. Это связано с тем, что любой объект с массой будет оказывать гравитационное притяжение на все остальное, имеющее массу в непосредственной близости от него, поэтому экспериментаторы должны быть в состоянии устранить внешнее влияние земной гравитации, свое собственное и все другие присутствия, имеющие вес, из результатов теста.
Какие эксперименты были опробованы физиками?
В 1798 году Генри Кавендиш установил стандарт для лабораторных экспериментов по измерению гравитационной постоянной с помощью метода, называемого торсионными весами.
Этот метод основан на своего рода модифицированном маятнике. Брусок с двумя пробными массами на каждом конце подвешивается к его середине на тонкой проволоке, свисающей вниз. Поскольку брусок расположен горизонтально по отношению к гравитационному полю Земли, Кавендиш смог исключить из измерений большую часть планетарной силы.
В качестве пробных масс Кавендиш использовал два небольших свинцовых шара диаметром два дюйма. Затем он добавил второй набор масс, более крупные свинцовые шары диаметром 12 дюймов, которые были подвешены отдельно от тестовых масс, но рядом друг с другом. Эти массы называются "исходными". Притяжение этих больших свинцовых шаров вызывает скручивание проволоки. По углу этого скручивания Кавендиш и его последователи смогли рассчитать гравитационную силу, действующую между испытуемой и исходной массами. А поскольку они знают массу каждого объекта, они могут рассчитать "G".
Похожие методы использовались экспериментаторами на протяжении веков после Кавендиша, но они не всегда находили одинаковое значение "G" или одинаковый диапазон неопределенности, говорит Шламмингер. И разногласия в неопределенности расчетов - это "большая загадка".
Поэтому физики продолжают разрабатывать новые методы измерения "G", которые, возможно, в один прекрасный день позволят получить более точный результат.
Только в этом месяце команда из Швейцарии под руководством Дуала опубликовала в журнале Nature Physics новую методику, которая может отсечь шум из окружающей среды и получить более точные результаты.
Экспериментальная установка включала две метровые балки, подвешенные в вакуумных камерах. Исследователи заставили одну балку вибрировать на определенной частоте; из-за гравитационной силы между двумя балками вторая балка также начинала двигаться. Используя лазерные датчики, команда измерила движение двух лучей, а затем рассчитала гравитационную постоянную на основе эффекта, который один луч оказывал на другой.
Их первоначальные результаты дали значение для "G", которое примерно на 2,2 процента выше официального значения, рекомендованного Комитетом по данным для науки и техники (которое составляет 6,67430×10-11 м3⋅кг-1с-2), и имеет относительно большое окно неопределенности.
"Наши результаты более или менее соответствуют предыдущим экспериментальным определениям "G". Это означает, что закон Ньютона справедлив и для нашей ситуации, хотя Ньютон никогда не думал о ситуации, подобной той, которую мы представили", - говорит Дуал. "В будущем мы будем более точны. Но сейчас это новое измерение".
Это медленно продвигающаяся, но глобально совместная работа, говорит Шламмингер, который не принимал участия в новом исследовании. "Очень редко удается получить статью о большом "G", поэтому, хотя их результаты, возможно, не являются самым точным измерением гравитационной постоянной, "это захватывающе" - новый подход и еще одно измерение, добавленное к одной из самых весомых математических констант Вселенной.