Od wieków fizycy borykają się z tą samą rozbieżnością w jednej z najbardziej podstawowych liczb w nauce: Wielkim G, stałej grawitacji. Pomimo niezliczonych eksperymentów, różne grupy badawcze konsekwentnie uzyskują nieco odmienne wartości siły ciężkości. Ten brak konsensusu doprowadził naukowców do zastanowienia się, czy błąd leży w niedoskonałych metodach eksperymentalnych, czy też nasze podstawowe zrozumienie samej grawitacji jest niekompletne.
Niedawny, zaawansowany technologicznie eksperyment dostarczył jednego z najbardziej wiarygodnych pomiarów w dotychczasowej historii, przybliżając społeczność naukową o krok do jednolitej odpowiedzi.
Trudności w pomiarze słabej siły
Grawitacja stawia przed fizykami eksperymentalnymi unikalny zestaw przeszkód. W przeciwieństwie do elektromagnetyzmu, który można chronić lub blokować, grawitacja jest wszechobecna; nie ma możliwości jego „wyłączenia” ani zabezpieczenia eksperymentu przed jego wpływem.
Co więcej, grawitacja jest niewiarygodnie słaba w porównaniu z innymi siłami podstawowymi. O ile magnesy mogą przyciągać się widoczną siłą, o tyle przyciąganie grawitacyjne pomiędzy dwoma zwykłymi przedmiotami – na przykład dwiema filiżankami kawy – jest tak nieznaczne, że człowiek go nie czuje. Ta skrajna słabość oznacza, że nawet najmniejszy wpływ zewnętrzny może zagłuszyć sygnał, który badacze próbują zmierzyć.
Współczesna ewolucja balansów skrętnych
Aby pokonać te trudności, badacze od dawna opierali się na koncepcji równowagi skrętnej, metody zaproponowanej przez Henry’ego Cavendisha w 1798 roku.
Zasada działania jest elegancka w swojej prostocie:
1. Poziomy pręt jest zawieszony na cienkiej nitce.
2. Na końcach pręta przymocowane są małe obciążniki.
3. Kiedy w pobliżu wagi umieści się dużą masę, jej przyciąganie grawitacyjne powoduje lekki obrót pręta.
4. Mierząc ten niewielki obrót, naukowcy mogą obliczyć siłę grawitacji.
Najnowszy przełom, kierowany przez Stefana Schlammingera z Amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST), polegał na zastosowaniu niezwykle zaawansowanej wersji tej konfiguracji. Zespół wykorzystał osiem obciążników umieszczonych na dwóch precyzyjnie skalibrowanych platformach obrotowych, które zawieszono na pasach nie grubszych od ludzkiego włosa.
To nie było szybkie badanie; naukowcy spędzili dziesięć lat na dokładnej identyfikacji i neutralizacji każdego możliwego źródła błędów i niepewności.
Wyniki i znaczenie naukowe
Eksperyment dał wartość Big G wynoszącą $6,67387 \times 10^{-11} \text{ m}^3 \text{kg}^{-1} \text{s}^{-2}$.
Chociaż wartość ta jest nieco niższa (o ułamek procenta) niż w dużym badaniu z 2007 r., jest istotna, ponieważ jest znacznie bardziej spójna z innymi pomiarami historycznymi. Zawężając lukę między sprzecznymi danymi, zespół NIST uczynił krajobraz pomiarów grawitacyjnych bardziej niezawodnym i niezawodnym.
„Wielki G nie służy tylko do pomiaru grawitacji, ale także do pomiaru, jak dobrze można zmierzyć grawitację” – mówi Schlamminger.
Dlaczego jest to ważne dla Wszechświata?
Dokładność tych pomiarów laboratoryjnych ma głębokie implikacje dla kosmologii. W dużej mierze nasze zrozumienie tego, jak Wszechświat się rozszerza, jak powstają galaktyki i ile istnieje ciemnej materii, opiera się na dokładnej znajomości siły grawitacji.
Stawka jest wysoka, ponieważ:
– Efekt skalowania: Mały błąd w warunkach laboratoryjnych może prowadzić do kolosalnych rozbieżności w zastosowaniu do skali całego Wszechświata.
– Nowa fizyka: Jeśli pomimo tych coraz precyzyjnych pomiarów liczby w dalszym ciągu się nie zgadzają, może to oznaczać „nową egzotyczną fizykę”. Oznaczałoby to, że grawitacja nie zachowuje się zgodnie z naszymi obecnymi prawami, co potencjalnie ujawnia „pęknięcie” w naszym rozumieniu kosmosu.
Wniosek
Udoskonalając pomiar Wielkiego G z niespotykaną dotąd szczegółowością, badacze zmniejszyli długotrwałe niepewności i stworzyli bardziej stabilne podstawy fizyki. Niezależnie od tego, czy doprowadzi to do ostatecznego konsensusu, czy też ujawni fundamentalną wadę naszych modeli kosmicznych, jest to ważny krok naprzód w naszym dążeniu do zrozumienia sił rządzących Wszechświatem.
