Десять лет физик Штефан Шламминг пытался измерить одну из самых упрямых величин в науке — гравитационную постоянную. После множества экспериментов, поправок и повторных проверок окончательный ответ наконец оказался совсем рядом. Он лежал внутри запечатанного конверта.
Проблема была в том, что Шламминг не был уверен, хочет ли его открывать.
Гравитационная постоянная определяет силу притяжения между любыми двумя объектами во Вселенной. Именно она входит в закон всемирного тяготения Ньютона и связывает между собой массу объектов, расстояние между ними и силу их взаимного притяжения.
Казалось бы, гравитация знакома каждому. Она удерживает людей на Земле, заставляет планеты двигаться вокруг Солнца и участвует в формировании галактик и огромных космических структур. Но её фундаментальную силу физики до сих пор знают заметно хуже, чем параметры других основных взаимодействий природы.
Измерять гравитационную постоянную пытаются уже более 225 лет. Главная проблема заключается в том, что сама гравитация чрезвычайно слаба.
Небольшой магнит размером примерно с булавочную головку способен поднять скрепку, преодолевая при этом притяжение всей Земли. В лаборатории трудность становится ещё заметнее: передвигать планеты для эксперимента невозможно, поэтому учёным приходится измерять ничтожное притяжение между сравнительно небольшими массами.
Современные приборы чрезвычайно чувствительны, однако разные эксперименты всё равно дают немного разные результаты. Расхождения составляют примерно одну десятитысячную, но даже это больше, чем учёные ожидают получить из-за обычных погрешностей измерений.
Наиболее вероятное объяснение — где-то остаётся незамеченный источник ошибки. Но существует и гораздо более интригующая возможность: физики могут чего-то не понимать в самой природе гравитации.
Команда Шламминга из Национального института стандартов и технологий США решила повторить эксперимент, проведённый в 2007 году Международным бюро мер и весов во Франции. Если независимая группа получит тем же методом такой же результат, это поможет разобраться с существующими расхождениями.
Однако Шламминг хотел исключить ещё один источник ошибки — собственные ожидания.
Когда исследователь заранее знает, какой результат должен получиться, это может незаметно повлиять на анализ данных. Поэтому его коллега Патрик Эбботт специально «ослепил» эксперимент: он вычел из некоторых измеренных масс секретное число, известное только ему.
Шламминг мог годами анализировать данные, не зная, какое истинное значение гравитационной постоянной получается у команды. Число, необходимое для восстановления настоящего результата, положили в конверт и запечатали.
В 2022 году исследователи почти решились его открыть. Но в последний момент Шламминг понял, что команда не до конца учла небольшое влияние атмосферного давления. Для настолько чувствительного эксперимента даже такой эффект мог оказаться важен.
Работа продолжилась ещё два года.
11 июля 2024 года Шламминг должен был представить результаты на конференции по прецизионным электромагнитным измерениям в Колорадо. Утренние заседания он пропустил, снова прокручивая в голове всё, что могло исказить эксперимент: изменения температуры, давления и другие мелкие эффекты.
К тому моменту исследователи считали, что учли практически всё возможное.
Во время доклада секретное число наконец раскрыли. Сначала Шламминг испытал облегчение: чтобы эксперимент дал ожидаемый результат, скрытая поправка должна была быть достаточно большой и отрицательной. Именно такой она и оказалась.
Но вскоре выяснилось, что всё не так хорошо. Поправка оказалась слишком большой.
После восстановления настоящих данных измерение американской команды не совпало с французским.
После ещё двух лет анализа исследователи опубликовали итоговый результат. Полученное значение гравитационной постоянной составило 6,67387 × 10⁻¹¹ кубического метра на килограмм в секунду в квадрате.
Это на 0,0235 процента меньше результата французского эксперимента.
В повседневной жизни такая разница абсолютно незаметна. Она не повлияет на показания домашних весов. Но для фундаментальной физики расхождение существенно.
Другие фундаментальные константы известны как минимум до шести значащих цифр. Гравитационная постоянная остаётся значительно менее точной.
Небольшие несоответствия особенно интересуют физиков ещё и потому, что в истории науки они неоднократно становились признаками того, что существующая теория чего-то не учитывает. Это вовсе не означает, что нынешняя проблема обязательно указывает на новую физику. Ошибка эксперимента по-прежнему считается более вероятным объяснением. Но тот факт, что высокоточные измерения продолжают расходиться, сохраняет загадку.
Метод, использованный французской и американской командами, имеет более чем двухсотлетнюю историю. В его основе лежат крутильные весы — прибор, который измеряет чрезвычайно слабые силы по тому, насколько сильно закручивается тонкая подвешенная нить или лента.
Подобную схему ещё в 1798 году применил английский физик Генри Кавендиш. Он закрепил два небольших свинцовых шара на концах горизонтальной балки, подвешенной на тонкой проволоке, а рядом разместил гораздо более тяжёлые массы.
Гравитационное притяжение заставляло балку слегка поворачиваться, закручивая проволоку. По величине этого движения можно было оценить силу притяжения между массами.
Спустя более двухсот лет основной принцип почти не изменился, хотя техника стала намного точнее.
В современных экспериментах использовались восемь цилиндрических металлических масс. Четыре крупных цилиндра размещались снаружи на вращающейся конструкции, а четыре меньших находились внутри на диске, подвешенном на медно-бериллиевой ленте толщиной примерно с человеческий волос.
Притяжение между массами заставляло внутреннюю систему поворачиваться и закручивать ленту. Измеряя возникающее вращающее усилие, исследователи могли вычислить гравитационную постоянную.
Кроме того, они использовали второй способ. Рядом с внутренними массами разместили электроды и подавали на них напряжение, создавая электростатическую силу, направленную противоположно гравитационной.
Напряжение постепенно меняли до тех пор, пока две силы не уравновешивались и система переставала поворачиваться. Поскольку электрические параметры можно измерить с очень высокой точностью, это давало ещё один способ определить гравитационную постоянную.
Американская команда провела и дополнительную проверку. Сначала эксперимент выполняли с медными массами, а затем повторили с сапфировыми.
Результаты практически совпали. Значит, материал сам по себе, скорее всего, не объясняет расхождение с французским измерением.
После десяти лет работы эксперимент добавил ещё одну точку в длинную историю попыток определить истинное значение гравитационной постоянной, но окончательного ответа так и не дал.
При этом речь идёт именно о гравитационной постоянной, а не об ускорении свободного падения возле Земли.
Ускорение свободного падения меняется в зависимости от места и небесного тела. У поверхности Земли оно составляет примерно 9,8 метра в секунду в квадрате, а на Луне — около 1,62.
Гравитационная постоянная, напротив, считается универсальной и, насколько известно учёным, одинакова во всей Вселенной.
Именно эта величина определяет силу притяжения между любыми двумя массами — от небольших лабораторных грузов до огромных астрономических объектов.
Прошло уже больше двух столетий с начала её точных измерений, но одна из самых простых на вид констант физики по-прежнему остаётся одной из самых трудных для определения.
