Одна цифра не дает покоя ученым уже больше двух веков

Гравитационная постоянная, одна из старейших фундаментальных констант в физике, отметила свой 340-летний юбилей. Число G заложило основу для современного понимания сил притяжения… Но тем ироничнее, что ученые до сих пор не могут подсчитать его со 100% точностью. Портал space.com рассказал, почему — и как ученые пытаются добиться точных результатов.

Гравитационная постоянная была сформулирована как часть уравнения, на котором построен закон всемирного тяготения Ньютона, описывающий силу притяжения, воздействующую на каждую частицу во вселенной. Хотя массы и расстояния, используемые в этих уравнениях, можно менять, значение гравитационной постоянной, или G, неизменно. Поэтому она остается ключом к расчету силы притяжения в любой точке вселенной.

Конечно, в 1915-м теорию Ньютона заменила теория геометрического притяжения Эйнштейна, общая относительность, которая расценивает эту фундаментальную силу как результат изгибов ткани пространства-времени, вызываемого объектами с массой.

Но G пережила и этот сдвиг парадигмы, пускай и роль постоянной немного пересмотрели. Если у Ньютона она определяла силу притяжения, то в теории Эйнштейна G определяет эластичность пространства-времени. Чем число меньше, тем больше ткань пространства-времени сопротивляется искажениям и деформациям, вызванным массивными объектами, вроде планет или звезд.

Первую попытку измерить G приписывают физику Генри Кавендишу в 1798 году. Он смог сделать замер притяжения между большой и маленькой свинцовыми сферами, тем самым рассчитав плотность Земли и получив первое точное значение постоянной. Однако даже несмотря на развитие технологий, 227 лет спустя G по-прежнему довольно тяжело измерить.

Проблема в том, что гравитация — слабейшая из четырех фундаментальных сил, из-за чего ее очень сложно изолировать и точно измерить. От притяжения невозможно экранироваться так же, как от электрического или магнитного полей. Каждый объект притягивается к каждому другому объекту, постоянно. Физики не могут просто настроить сигнал так, как им было бы удобно — работать приходится с тем, что дает сама гравитация.

Для того, чтобы провести собственные замеры, сотрудники американского Национального института стандартов и технологий повторили эксперимент, который изначально провело Международное бюро мер и весов во Франции. Им пришлось быть особенно осторожными, чтобы не попасть в ловушку подобного рода исследований и не начать сравнивать свои результаты с предыдущими, даже на подсознательном уровне.

Избежать этой ошибки специалисты попытались тоже по-научному. Один из участников эксперимента всегда устанавливал то или иное значение «предвзятости», которое добавлялось к грузам, использованным в опыте. То есть, они не знали, к какому значению на самом деле приходили, пока не раскрывался показатель предвзятости. А его хранили в запечатанном конверте, который открывали только тогда, когда исследователи были довольны постоянством данных.

В итоге конверт открыли 11 июля 2024-го — через два года после изначально запланированный даты в 2022-м. Задержка получилась из-за того, что ученые нашли просчет: они не учли нюансы воздушного давления. После перерасчета и вскрытия конвертов гравитационная постоянная оказалась на 0,000064 ниже, чем в официальных записях Комитета по данным для науки и техники. Для контекста, если часы начинают отставать на это значение в секундах через год, то их время собьется на 34 минуты.

Разница между старым и новым результатом маленькое, но у него есть интересные коннотации. Например, если итоги опыта верны, то масса Земли даже выше, чем считает наука. Поэтому загадку нельзя считать на сто процентов решенной: разница между экспериментами никуда не денется, и кому-то рано или поздно придется ее объяснить.