Протягом 10 років фізик Штефан Шламмінгер гнався за однією з найвпертіших цифр у науці. Після десятиліття експериментів, модифікацій і ретельного аналізу відповідь була в запечатаному конверті.

Він не був до кінця впевнений, чи хоче його відкрити.

Шламмінгер, фізик з Національного інституту стандартів і технологій (NIST), витратив більшу частину останнього десятиліття на вимірювання універсальної гравітаційної постійної. Серед фізиків він відомий як великий Гце фундаментальне число визначає силу гравітаційного тяжіння у всьому Всесвіті.

Цифри, приховані в конверті, зрештою стали ключем до розшифровки експериментальних даних і виявлення того, що виміряла команда.

Найбільш невловиме число гравітації

Сила тяжіння є однією з найвідоміших сил у повсякденному житті. Він прив’язує людей до Землі, спрямовує планети навколо Сонця, допомагає збирати зірки в галактики та відіграє центральну роль у формуванні величезної космічної мережі скупчень галактик, поширених у Всесвіті.

Але вчені досі не знають його фундаментальної сили так точно, як вони досягли для інших фундаментальних сил природи.

Його сила представлена ​​великою Г.

Вчені намагалися виміряти великі речі Г Це почалося приблизно через століття після того, як Ісаак Ньютон представив закон всесвітнього тяжіння, і тривало понад 225 років. Незважаючи на покоління дедалі складніших експериментів, гравітаційна стала не так точно відома, як еквівалентні константи, пов’язані з трьома іншими фундаментальними силами природи: електромагнетизмом і сильними і слабкими ядерними силами.

Частина проблеми напрочуд проста. Сила тяжіння аномально слабка.

Маленький магніт може вказувати на проблему. Магніт розміром з головку шпильки може підняти скріпку проти всієї гравітації Землі. У цьому простому змаганні електромагнітна сила, створена магнітом, легко долає силу тяжіння.

У лабораторії проблеми ще більші. Вчені не можуть пересувати планети для проведення контрольованих експериментів, тому їм потрібно виміряти гравітаційне притягання між набагато меншими об’єктами, які можна зважити та точно розташувати.

Ці експериментальні маси приблизно в 500 мільярдів разів менші за Землю. У результаті гравітаційні сили, які намагаються виявити дослідники, неймовірно слабкі.

Заміри для відмови у згоді

Сучасне обладнання стало дуже чутливим, але великі вимірювання все ще можливі. Г Продовжуйте давати трохи інші відповіді.

Розбіжності невеликі, приблизно 1 на 10 000. Але вони все ще більші, ніж очікують дослідники з огляду на нормальні експериментальні невизначеності.

Ця постійна розбіжність викликає у фізиків незручні запитання.

Найбільш вірогідним поясненням є те, що деякі тонкі експериментальні ефекти були пропущені. Але є й більш цікаві можливості. Можливо, вчені щось упускають про саму гравітацію.

Шламмінгер і його колеги сподівалися відповісти на це питання, ретельно відтворивши точний експеримент, проведений у 2007 році Міжнародним бюро мір і ваг (BIPM) у Севре, Франція.

Ідея була проста і зрозуміла. Якщо незалежна команда в кампусі NIST у Гейтерсбурзі, штат Меріленд, зможе відтворити французькі вимірювання, використовуючи по суті той самий підхід, це може допомогти вирішити розбіжності щодо великої проблеми. Г.

Але Шламмінгера хвилювало інше джерело помилки: він сам.

Коли вчені знають відповіді, на які вони очікують, вони можуть ненавмисно впливати на те, як вимірювання інтерпретуються та аналізуються. Шламмінгер хотів максимально усунути цю можливість.

Тож він попросив свого колегу Патріка Еббота зашифрувати деякі дані, щоб засліпити експеримент.

Містер Ебботт віднімав секретну цифру від ретельно виміряної ваги кількох мас, які використовувалися в його експериментах. Оскільки лише Ебботт знав це число, Шламмінгер зміг проаналізувати експеримент, не знаючи справжнього значення Біга. Г Його команда виробляла це.

Необхідні виправлення для отримання правильної відповіді були запечатані всередині конверта.

10 років праці сконцентровано в одному конверті

Шламмінгер збирався відкрити цей конверт у 2022 році.

Однак в останній момент він зрозумів, що команда не повністю врахувала тонкий вплив тиску повітря. Оскільки навіть невеликі збурення можуть бути проблематичними в такому делікатному експерименті, він відклав експозицію та повернувся до аналізу.

Через два роки цей момент нарешті настав.

О 15:00 11 липня 2024 року Шламмінгер мав представити результати на щорічній конференції з точних електромагнітних вимірювань в Аврора, штат Колорадо.

Він так хвилювався, що пропустив ранкову сесію. Натомість я подумки переглянув багато речей, які могли спотворити вимірювання, наприклад невеликі зміни температури чи тиску.

На той час він вважав, що команда пояснила все розумно можливе.

«Я розставив усі крапки над «і» та перекреслив усі «т» в експерименті», — сказав він.

У другій половині дня Шламмінгер нарешті розкрив приховані цифри.

Йому одразу стало легше.

Секретна поправка Еббота мала бути відносно великою та негативною, щоб експеримент дав очікувані результати.

це було.

Спочатку це здавалося гарною новиною.

Але з часом Шламмінгер зрозумів, що є проблема. Виправлення було занадто великим. Після відновлення сліпих даних вимірювання NIST не збігалися з французькими результатами.

невеликі відмінності мають великий вплив

Після ще двох років детального аналізу Шламмінгер і його співробітники повідомили про свої вимірювання в наступній статті. спорядження метро.

їх значення Г Це було 6,67387×10-11 метр3/кілограм/секунду2.

Цей результат на 0,0235% нижчий за значення, отримане у французькому експерименті.

У повсякденному житті такі дрібні відмінності не мають значення. Це суттєво не змінить показання на вагах і не вплине на кількість арахісового масла, необхідного для виготовлення контейнера 16 унцій.

Однак, коли йдеться про фундаментальну фізику, це протиріччя є істотним.

Інші фундаментальні природні константи мають шість і більше значущих цифр. великий Г Точність залишається низькою.

Історія також дає фізикам привід звернути увагу на дрібні протиріччя. Кілька разів невеликі розбіжності між вимірюваннями та очікуваннями зрештою показали, що вчені упустили щось важливе про те, як працює природа.

Це не означає розбіжності в важливих питаннях Г Відноситься до нової фізики. Експериментальна помилка залишається більш імовірним поясненням. Однак загадка залишається, оскільки точні експерименти продовжують не збігатися з тим самим значенням.

Експерименти з корінням з 1798 року

Технологія, яку використовують команди BIPM і NIST, має історію понад два століття.

Їхній експеримент спирався на торсійні ваги, пристрій, який може виявляти надзвичайно малі сили, вимірюючи, наскільки скручується підвішене тонке волокно.

Основна ідея сягає відомого експерименту, проведеного британським фізиком Генрі Кавендішем у 1798 році.

Кавендіш помістив дві свинцеві кулі на кожному кінці дерев’яної балки, підвішеної горизонтально від центру на тонкому дроті. Потім він поставив дві важчі маси поруч.

Більша маса притягувала меншу свинцеву кульку силою тяжіння, змушуючи підвішену балку обертатися. Коли промінь обертався, дріт скручувався, поки його опір не врівноважився силою тяжіння.

Вимірюючи невеликі рухи променя за допомогою дзеркал і світлових покажчиків, Кавендіш зміг визначити гравітаційну взаємодію між масами й отримати інформацію, що відповідає великим значенням. Г.

Понад 200 років потому ті самі основні принципи залишаються корисними, хоча обладнання є набагато складнішим.

Вимірювальні сили настільки малі, що їх майже непомітно

Експерименти BIPM і NIST використовували вісім циліндричних металевих блоків.

Чотири великі циліндри були розміщені на обертовій каруселі в конфігурації, що нагадує чотири канделябри старомодної люстри. Чотири маленькі краплі були в каруселі на диску, підвішеному до стрічки з міді та берилію завтовшки з людську волосину.

Сила тяжіння між зовнішньою та внутрішньою масами змушує підвішені крутильні ваги обертатися та скручувати тонку металеву стрічку.

Точно вимірявши цей рух і пов’язаний з ним гравітаційний момент, дослідники змогли обчислити одне значення: Г. Крутний момент — це просто обертальна сила, подібна до сили, що використовується під час обертання гайкового ключа.

Але команда не покладалася на один метод.

В іншій серії вимірювань вчені розмістили електроди поруч із внутрішньою масою та подали на них напругу.

Результуюча електростатична сила створила крутний момент у напрямку, протилежному гравітаційному крутному моменту.

Потім дослідники регулювали напругу до тих пір, поки електростатичні ефекти не зрівноважилися з гравітаційними ефектами, запобігаючи обертанню крутильних балансів.

Величина напруги, необхідної для досягнення цього балансу, може бути виміряна з великою точністю, забезпечуючи інший спосіб виконання великих обчислень. Г.

мідь і сапфір дають таку ж відповідь

Команда Шламмінгера запровадила додаткові тести.

Вони хотіли знати, чи можуть матеріали, використані для експериментальної маси, якось вплинути на результати.

Спочатку дослідники провели вимірювання за допомогою шматка міді. Потім вони повторили експеримент із застосуванням сапфіра.

Результати були по суті однаковими для обох матеріалів.

Цей результат усунув одне з можливих пояснень невідповідності, але не розв’язав більшої таємниці.

Після десятиліття досліджень експеримент NIST став ще однією важливою точкою даних у постійних зусиллях вчених визначити справжню цінність великих даних. Г.

«Кожне вимірювання має значення, тому що правда має значення», — сказав Шламмінгер. «Для мене проведення точних вимірювань — це спосіб навести порядок у Всесвіті, незалежно від того, чи відповідають цифри очікуванням», — додав він.

Шламмінгер, який роками працював над цією проблемою, каже, що готовий залишити це завдання іншим.

«Ми залишимо молодому поколінню вчених вирішувати цю проблему», — додав він.

«Ми повинні рухатися вперед».

Велике G – це не те саме, що Little G

великий Г g – не єдина буква, пов’язана з гравітацією.

Фізики також рідко використовують g, але ці дві величини представляють абсолютно різні речі.

Мала g означає прискорення, яке відчуває об’єкт через силу тяжіння сусіднього великого тіла, наприклад Землі.

На відміну від великого Гтрохи g змінюється залежно від місця розташування.

Біля поверхні Землі маленьке g становить приблизно 9,8 метрів в квадраті за секунду. На Місяці швидкість становить лише близько 1,62 метра на секунду в квадраті, оскільки набагато менша маса Місяця спричиняє слабше гравітаційне прискорення.

великий ГНавпаки, вважається універсальним.

Наскільки відомо вченим, він має однакову цінність скрізь у Всесвіті. Він визначає силу тяжіння між двома об’єктами. Вирішіть, чи є ці об’єкти двома лабораторними краплями, людиною та Землею, чи двома дуже далекими небесними тілами.

Закон всесвітнього тяжіння Ньютона використовує велику силу Г З’єднання маси, відстані та сили тяжіння.

Для двох мас, метр1 і метр2вчений множить маси і ділить результат на квадрат відстані. r Помножте їх на велику кількість Г.

У математичному вигляді це співвідношення виглядає так:

GM1метр2/р2

Понад два століття після того, як вчені почали намагатися проводити точні вимірювання, ця, здавалося б, проста константа залишається одним із найскладніших для визначення чисел у фізиці.