Протягом століть фізиків переслідувала одна й та сама невідповідність в одному з найбільш фундаментальних чисел у науці: Великий G, гравітаційна постійна. Незважаючи на незліченні експерименти, різні дослідницькі групи постійно отримують значення сили гравітації, що злегка відрізняються. Ця відсутність консенсусу змушувала вчених ставити питання: чи полягає помилка в недосконалості експериментальних методів або ж наше фундаментальне розуміння самої гравітації неповно.
Нещодавній, високотехнологічний експеримент надав один із найнадійніших на сьогодні вимірів, наблизивши наукову спільноту на крок до єдиної відповіді.
Складності вимірювання слабкої сили
Гравітація ставить перед фізиками-експериментаторами унікальний набір перешкод. На відміну від електромагнетизму, який можна екранувати чи блокувати, гравітація всюдисуща; немає способу “вимкнути” її або захистити експеримент від її впливу.
Понад те, гравітація неймовірно слабка проти іншими фундаментальними силами. У той час як магніти можуть притягуватися один до одного з видимою силою, гравітаційне тяжіння між двома звичайними предметами, наприклад, двома кавовими чашками, настільки мізерне, що людина не здатна його відчути. Ця екстремальна слабкість означає, що навіть найменша зовнішня дія може заглушити сигнал, який намагаються виміряти дослідники.
Сучасна еволюція крутильних ваг
Щоб подолати ці труднощі, дослідники тривалий час покладалися на концепцію крутильних ваг – методу, запропонованого Генрі Кавендішем в 1798 році.
Принцип роботи елегантний у своїй простоті:
1. Горизонтальний стрижень підвішується на тонкій нитці.
2. На кінцях стрижня закріплено невеликі вантажі.
3. Коли поруч із вагами поміщають велику масу, її гравітаційне тяжіння змушує стрижень трохи повернутися.
4. Вимірюючи це мізерне обертання, вчені можуть розрахувати силу гравітації.
Останній прорив, здійснений під керівництвом Стефана Шламмінгера у Національному інституті стандартів та технологій США (NIST), був пов’язаний з використанням гіперудосконаленої версії цієї установки. Команда використовувала вісім вантажів, розташованих на двох точно відкаліброваних платформах, що обертаються, які були підвішені на стрічках товщиною не більше людського волосся.
Це було швидким дослідженням; вчені витратили десять років, ретельно виявляючи і нейтралізуючи кожне мислиме джерело помилки та невизначеності.
Результати та наукове значення
Експеримент дав значення Великий G, що дорівнює $6.67387 \times 10^{-11} \text{ м}^3 \text{кг}^{-1} \text{с}^{-2}$.
Хоча це значення трохи нижче (відсотка), ніж у великому дослідженні 2007 року, воно має важливе значення, оскільки набагато ближче узгоджується з іншими історичними вимірами. Звузивши розрив між суперечливими даними, команда NIST зробила «ландшафт» гравітаційних вимірів більш достовірним та надійним.
“Велика G – це не просто вимір гравітації, це вимір того, наскільки добре ви здатні виміряти гравітацію”, – говорить Шламмінгер.
Чому це важливо для Всесвіту
Точність цих лабораторних вимірів має глибокі наслідки для космології. Більшість нашого розуміння того, як розширюється Всесвіт, як формуються галактики і скільки існує темної матерії, спирається на знання точної сили гравітації.
Ставки високі, тому що:
– Ефект масштабування: Крихітна помилка в лабораторних умовах може призвести до колосальних розбіжностей при застосуванні до масштабів усього Всесвіту.
– Нова фізика: Якщо, незважаючи на ці все більш точні вимірювання, цифри, як і раніше, не сходитимуться, це може сигналізувати про «нову екзотичну фізику». Це означало б, що гравітація поводиться не відповідно до наших поточних законів, потенційно виявляючи «тріщину» у нашому розумінні космосу.
Висновок
Завдяки безпрецедентно ретельному уточненню вимірювання Великий G, дослідники зменшили давні невизначеності та створили більш стійкий фундамент для фізики. Чи приведе це до остаточного консенсусу або виявить фундаментальну ваду в наших космічних моделях, це важливий крок уперед у нашому прагненні зрозуміти сили, які керують Всесвітом.
