Według legendy pierwszy eksperyment, który wykazał, że wszystkie przedmioty spadły w tym samym tempie, niezależnie od masy, został przeprowadzony przez Galileusza Galileusza na Krzywej Wieży w Pizie. Wszelkie dwa przedmioty upuszczone w polu grawitacyjnym, przy braku (lub zaniedbaniu) oporu powietrza, będą przyspieszać w dół do ziemi w tym samym tempie. Zostało to później skodyfikowane w ramach dochodzeń Newtona w tej sprawie. (Getty Images)

Naukowcy przyznają, żenująco, że nie wiemy, jak silna jest siła grawitacji

Każda teoria fizyczna ma w sobie stałe. Stała grawitacyjna jest wyjątkowo niepewna.

Kiedy zaczęliśmy formułować prawa fizyczne, zrobiliśmy to empirycznie: poprzez eksperymenty. Zrzuć piłkę z wieży, jak mógł to zrobić Galileo, i możesz zmierzyć, jak daleko ona spada i jak długo zajmuje uderzenie o ziemię. Zwolnij wahadło, a znajdziesz związek między długością wahadła a czasem potrzebnym do oscylacji. Jeśli zrobisz to dla wielu odległości, długości i czasów, zobaczysz związek pojawiający się: odległość spadającego obiektu jest proporcjonalna do kwadratu czasu; okres wahadła jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z długości wahadła.

Ale aby przekształcić te proporcje w znak równości, musisz odpowiednio ustawić tę stałą.

Orbity planet w wewnętrznym Układzie Słonecznym nie są dokładnie okrągłe, ale są dość blisko, a Merkury i Mars mają największe odloty i największe eliptyczności. W połowie XIX wieku naukowcy zaczęli zauważać odstępstwa w ruchu Merkurego od prognoz grawitacji newtonowskiej, nieznaczne odstępstwo, które zostało wyjaśnione jedynie przez ogólną teorię względności w XX wieku. To samo prawo grawitacji i stała opisuje wpływ grawitacji na wszystkie skale, od Ziemi po kosmos. (NASA / JPL)

W tych przykładach, jak również w wielu innych, ta stała proporcjonalności jest związana z G, stałą grawitacyjną. Księżyc okrąża Ziemię, planety krążą wokół Słońca, światło wygina się w wyniku soczewkowania grawitacyjnego, a komety tracą energię, gdy uciekają z Układu Słonecznego proporcjonalnie do G. Jeszcze zanim pojawił się Newton, w latach 40. i 50. XVI wieku, włoscy naukowcy Francesco Grimaldi i Giovanni Riccioli dokonali pierwszych obliczeń stałej grawitacyjnej, co oznacza, że ​​była to pierwsza podstawowa stała, jaką kiedykolwiek ustalono: jeszcze przed ustaleniem prędkości światła przez Ole Rømera w 1676 r.

Prawo uniwersalnej grawitacji Newtona zostało zastąpione przez ogólną teorię względności Einsteina, ale opierało się na koncepcji natychmiastowego działania (siły) na odległość i jest niewiarygodnie proste. Stała grawitacyjna w tym równaniu, G, jest wciąż stosunkowo mało znana. (WIKIMEDIA WSPÓLNIE UŻYTKOWNIK DENNIS NILSSON)

Kiedy weźmiesz dowolne dwie masy we Wszechświecie i umieścisz je blisko siebie, przyciągną się. Zgodnie z prawami Newtona, obowiązującymi we wszystkich, oprócz najbardziej ekstremalnych masach (dla dużych mas) i odległości (dla małych odległości) w całej naturze, siła przyciągania jest związana z dwiema masami, separacją między nimi, a G, stała grawitacyjna. Przez stulecia doskonaliliśmy nasze pomiary wielu podstawowych stałych z ogromną precyzją. Prędkość światła, c, jest dokładnie znana: 299,792,458 m / s. Stała Plancka, ħ, która rządzi oddziaływaniami kwantowymi, ma wartość 1,05457180 × 10 ^ -34 J⋅s, z niepewnością ± 0,000000013 × 10 ^ -34 J⋅s.

Ale G? To zupełnie inna historia.

Bez względu na to, czy używa się formuły grawitacyjnej Newtona, czy Einsteina, siła siły jest częściowo określana przez wartość stałej grawitacyjnej G, której wartość należy zmierzyć empirycznie i nie można jej wyprowadzić z żadnej innej wielkości. (ESO / L. CALÇADA)

W latach 30. XX wieku G zmierzono jako 6,67 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², a następnie udoskonalono go w latach 40. XX wieku do 6,673 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², oba przez naukowca Paula Heyl. Jak można się spodziewać, wartości z czasem stawały się coraz lepsze, a niepewność spadła z 0,1% do 0,04% aż do zaledwie 0,012% pod koniec lat 90., głównie dzięki pracy Barry'ego Taylora z NIST.

W rzeczywistości, jeśli wyciągniesz starą kopię broszury Particle Data Group, w której podają stałe podstawowe, możesz znaleźć tam wartość G, która wygląda dobrze: 6,67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², z niepewność zaledwie 0,00085 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

Wartości podstawowych stałych, jakie były znane w 1998 roku i opublikowane w broszurze Particle Data Group 1998. (PDG, 1998, W OPARCIU O ER COHEN I BN TAYLOR, REV. MOD. PHYS. 59, 1121 (1987))

Ale potem stało się coś śmiesznego.

Później tego samego roku przeprowadzone eksperymenty wykazały niespójnie wysoką wartość z tymi wartościami: 6,674 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Wiele zespołów, stosując różne metody, uzyskiwało wartości G, które były ze sobą w konflikcie na poziomie 0,15%, ponad dziesięciokrotnie wcześniej zgłaszane niepewności.

Jak to się stało?

Oryginalny eksperyment dokładnego pomiaru G, zaprojektowany i opublikowany przez Henry'ego Cavendisha, opiera się na zasadzie równowagi skrętnej, która skręca się i porusza w oparciu o przyciąganie grawitacyjne pobliskiej, dobrze zmierzonej masy. (H. CAVENDISH, TRANSAKCJE FILOZOFICZNE KRÓLEWSKIEGO SPOŁECZEŃSTWA W LONDYNIE, (CZĘŚĆ II) 88 P.469–526 (21 CZERWCA 1798))

Pierwszy dokładny pomiar stałej grawitacyjnej, niezależny od innych niewiadomych (takich jak masa Słońca lub masa Ziemi), nastąpił dopiero w eksperymentach Henry'ego Cavendisha pod koniec XVIII wieku. Cavendish opracował eksperyment znany jako równowaga skrętna, w którym miniaturową sztangę zawieszono na drucie, doskonale wyważonym. W pobliżu każdej z mas na obu końcach znajdowały się dwie większe masy, które przyciągałyby grawitacyjnie małe masy. Ilość skręcania, jakiej doświadczała miniaturowa sztanga, o ile znane były masy i odległości, pozwoliłaby nam eksperymentalnie zmierzyć G, stałą grawitacyjną.

Pomimo wielu postępów w dziedzinie fizyki w ciągu ostatnich 200 lat, ta sama zasada, która została zastosowana w oryginalnym eksperymencie Cavendisha, jest nadal stosowana do pomiarów G. Obecnie od 2018 r. Nie ma żadnej techniki pomiarowej ani układu eksperymentalnego, który zapewniłby doskonałe wyniki . (CHRIS BURKS (CHETVORNO) / WIKIMEDIA COMMONS)

Jest wysoce podejrzane, że jednym z głównych czynników było dobrze znany psychologiczny czynnik uprzedzeń potwierdzających. Jeśli wszyscy twoi koledzy otrzymują pomiary takie jak 6,67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², możesz oczekiwać, że otrzymasz coś w rodzaju 6.67224 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² lub 6,67293 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², ale jeśli masz coś takiego jak 6,67532 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², prawdopodobnie zakładasz, że zrobiłeś coś złego.

Szukałbyś możliwych źródeł błędów, dopóki go nie znajdziesz. I przeprowadzałbyś eksperyment raz za razem, aż uzyskasz coś rozsądnego: coś co było co najmniej zgodne z 6,67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

W 1997 r. Zespół Bagleya i Luthera przeprowadził eksperyment równowagi skrętnej, w wyniku którego uzyskano wynik 6,674 x 10 ^ 11 N / kg² / m², który został potraktowany wystarczająco poważnie, aby podważyć wcześniej zgłoszone znaczenie oznaczenia G. (DBACHMANN / WIKIMEDIA COMMONS)

Właśnie dlatego był taki szok w 1998 roku, kiedy bardzo ostrożny zespół uzyskał wynik, który różnił się spektakularnie o 0,15% od poprzednich wyników, kiedy błędy w tych wcześniejszych wynikach były ponad dziesięciokrotnie niższe ta różnica. NIST zareagował, wyrzucając uprzednio określone niepewności, a wartości zostały nagle obcięte, dając co najwyżej cztery znaczące liczby, z dołączonymi znacznie większymi niepewnościami.

Wagi skrętne i wahadła skrętne, oba zainspirowane oryginalnym eksperymentem Cavendisha, nadal przodują w pomiarach G, wyprzedzając najnowszą technikę eksperymentów z interferometrią atomową. W rzeczywistości w zeszłym tygodniu zespół z Chin twierdził, że uzyskał najbardziej dokładny jak dotąd pomiar G z dwóch niezależnych pomiarów: 6,674184 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² i 6,674484 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², z niepewnością wynoszącą zaledwie 11 części na milion na każdą.

Dwie metody konfiguracji eksperymentalnej opublikowane pod koniec sierpnia 2018 r. W Nature, które dały najbardziej precyzyjne (deklarowane) pomiary G do tej pory. (Q. LIU ET AL., NATURE VOL. 560, 582–588 (2018))

Wartości te mogą się zgadzać w granicach dwóch odchyleń standardowych, ale nie zgadzają się z innymi pomiarami wykonanymi przez inne zespoły w ciągu ostatnich 15 lat, które wynoszą od 6,6757 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² i tak niskie, jak 6,6719 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Podczas gdy inne podstawowe stałe są znane z dokładności od 8 do 14 cyfr znaczących, niepewności są od tysięcy do miliardów razy większe, jeśli chodzi o G.

Przejście atomowe z orbity 6S, Delta_f1, to przejście, które określa miernik, sekundę i prędkość światła. Zauważ, że podstawowe stałe kwantowe opisujące nasz Wszechświat są znane z tysiącami razy lepszą dokładnością niż G, pierwsza stała kiedykolwiek zmierzona. (A. FISCHER ET AL., DZIENNIK AKUSTYCZNEGO SPOŁECZEŃSTWA AMERYKI (2013))

Stała grawitacyjna Wszechświata, G, była pierwszą stałą, jaką kiedykolwiek zmierzono. Jednak ponad 350 lat po tym, jak po raz pierwszy ustaliliśmy jego wartość, to naprawdę krępujące, jak słabo znana, w porównaniu do wszystkich innych stałych, nasza wiedza na ten temat. Używamy tej stałej w całym szeregu pomiarów i obliczeń, od fal grawitacyjnych przez czas pulsara po ekspansję Wszechświata. Jednak nasza zdolność do określenia tego jest zakorzeniona w małych pomiarach wykonanych tutaj na Ziemi. Najmniejsze źródła niepewności, od gęstości materiałów po drgania sejsmiczne na całym globie, mogą wplątać się w nasze próby ustalenia tego. Dopóki nie będziemy mogli zrobić lepiej, będzie istniała nieodłącznie niepewna duża niepewność wszędzie tam, gdzie zjawisko grawitacji jest ważne. Jest rok 2018 i wciąż nie wiemy, jak silna jest grawitacja.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.