Научно-исследовательская группа Национального института стандартов и технологий (NIST) недавно объявила о результатах 10-летнего эксперимента, который дал новое значение гравитационной постоянной «G», одной из самых основных и трудных для точного измерения констант в физике, и выявил потенциальную причину долгосрочной «неточности» гравитационных измерений.
Гравитация — самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий в природе, что делает ее одной из самых трудных для точного измерения физических величин. Физик NIST Стефан Шламмингер заявил, что научное сообщество отслеживает гравитационную постоянную уже более 200 лет, но разброс существующих 16 основных результатов измерений все еще очень велик, с типичной неопределенностью около 10 частей на миллион, что значительно уступает уровню точности других основных констант.
Гравитационная постоянная, также известная в физическом сообществе как «Большая G», описывает силу гравитационной силы между двумя массами. Для повседневной жизни общества небольшие изменения G не окажут заметного влияния, но для физиков максимально точное определение его точного значения поможет лучше понять природу гравитации и будет способствовать исследованию единой физической теории.
В этой работе команда Шраммингера предпочла повторить экспериментальный путь, а не полностью изменить его и разработать новое решение. Они перевезли тот же набор оборудования, который использовался в знаменитом эксперименте с гравитационной постоянной, проведенном в Международном бюро мер и весов (BIPM) во Франции в 2014 году, из Франции в лабораторию NIST в Гейтерсбурге, штат Мэриленд, США, в попытке воспроизвести эксперимент в различных средах и проверить, были ли систематические отклонения, скрытые в результатах того года.
Эксперимент BIPM в 2014 году дал одно из самых «отклоняющихся» значений G на тот момент, поэтому ожидается, что эксперимент по репликации раскроет детали таких аномальных результатов. Команда NIST официально начала измерительные работы в 2016 году. Весь проект длился 10 лет. Это было не только научное измерение, но и долгосрочное совершенствование сверхточной технологии измерения слабых сил.
Последние опубликованные данные показывают, что значение гравитационной постоянной, данное командой, равно6,67387±0,00038×10-11м3кг-1с-2, относительная стандартная неопределенность равна5,7×10−5. По сравнению с экспериментальными результатами BIPM в 2014 году это значение примерно на 0,0235% ниже. В области высокоточных измерений эту разницу нельзя игнорировать. При этом результат также немного ниже значения G, рекомендованного CODATA 2018, но однозначно объяснить источник отклонения пока сложно.
Еще более прорывным является то, что, когда исследователи неоднократно определяли условия эксперимента, они обнаружили фактор, который раньше часто игнорировался, — влияние остаточного воздуха в вакуумной камере. Согласно конструкции, чтобы максимально исключить помехи, эксперимент необходимо проводить в среде, близкой к идеальному вакууму, но команда обнаружила, что независимо от того, как закачивается газ, небольшое количество газа всегда будет оставаться в контейнере, образуя так называемое «вакуумное давление».
Этот остаточный газ будет оказывать чрезвычайно малое воздействие на экспериментальное устройство, тем самым влияя на конечное измеренное значение G. Однако этот эффект не был систематически включен в анализ многих предыдущих экспериментов. Шраммингер отметил, что это открытие, как ожидается, поможет объяснить, почему значения G, полученные в разных экспериментах, долгое время были противоречивыми, но делать выводы еще слишком рано. Также необходимо просмотреть каждый экспериментальный план один за другим, чтобы проверить, как они обрабатывают такие детали, как остаточный газ.
Говоря о разнице между новыми результатами и существующими признанными ценностями, Шраммингер сказал, что в настоящее время команда склонна полагать, что отклонение может быть результатом суперпозиции нескольких совокупных эффектов, а не одного фактора. Однако какие эффекты и соответствующие веса еще точно не разобраны. Соответствующие научные статьи были опубликованы в журнале «Метрология» и прошли независимую проверку фактов.
Эта работа не положила конец спорам о гравитационной постоянной, но наглядно продемонстрировала сложность проблемы: даже если на это ушло десять лет, повторно использовалось одно и то же устройство и тщательно работали в разных лабораториях, итоговое значение G все равно существенно отличалось от предыдущих результатов. С точки зрения научного сообщества, это одновременно и неудача, и мотивация — это напоминает исследователям, что если они хотят полностью понять эту «самую знакомую и незнакомую» природную константу, необходимы все более детальные эксперименты, более длительная настойчивость и более точные возможности выявления ошибок.