Проведено новое, беспрецедентно точное измерение силы гравитации

В ходе двух экспериментов по вычислению незначительного гравитационного воздействия между объектами в лаборатории определили постоянную Ньютона — гравитационную постоянную, или G, — с точностью до 0,00116%. Ранее самая малая погрешность в любых измерениях этой величины составляла 0,00137%.

Новый набор значений G опубликован в свежем выпуске журнала Nature. Два значения несколько различаются и не объясняют, почему прошлые эксперименты по вычислению гравитационной постоянной приводили к таким разным результатам. Тем не менее исследователи смогут использовать новые значения вместе с другими расчетами G, чтобы понять, почему измерения этой ключевой постоянной такие уклончивые. Возможно, это поможет раз и навсегда уточнить силу гравитации.

Точное значение G, в котором масса и расстояние соотносятся с силой гравитации в Законе всемирного тяготения Ньютона, ускользало от ученых на протяжении веков. Все потому, что гравитационное притяжение между парой объектов в лабораторном эксперименте невероятно мало и подвержено гравитационному воздействию других объектов, находящихся поблизости, и зачастую заставляет исследователей сомневаться в точности своих измерений.

Общепринятое на сегодня значение G основано на измерениях последних 40 лет: 6,67408 × 10−11 метров в кубе на килограмм на секунду в квадрате. Погрешность этой цифры составляет 0,0047%, то есть она в тысячи раз менее точна, чем другие фундаментальные постоянные — неизменные, универсальные значения вроде заряда электрона или скорости света. Облако неопределенности, окружающее G, ограничивает возможности исследователей в определении масс небесных тел и значений других постоянных, основанных на гравитационной постоянной.

Физик Шан-Цин Ян из Хуаджонского университета науки и технологии в Ухане (Китай) и его коллеги измерили постоянную Ньютона при помощи двух инструментов, известных как торсионные маятники. У каждого устройства есть покрытая металлом кремниевая пластина, поддерживаемая тонким тросом и окруженная стальными сферами. Гравитационное притяжение между пластиной и сферами заставляет пластину вращаться на тросе по направлению к сферам.

Однако маятники были настроены несколько иначе, чтобы обеспечить два способа измерения G. В одном из них ученые измеряли постоянную посредством отслеживания скручивания троса, когда пластина сдвигалась к сферам. Другой маятник настроили так, чтобы металлическая пластина свисала с поворотного круга, благодаря вращению которого трос не скручивался. Во втором случае исследователи измеряли гравитационную постоянную, отслеживая вращение круга.

Чтобы получить наиболее точные результаты, ученые внесли коррекцию с учетом длинного списка незначительных помех — от легких вариаций в плотности материалов, использованных в изготовлении торсионных маятников, до сейсмических вибраций от землетрясений по всему миру.

Эксперименты с торсионными маятниками вывели два значения G: 6,674184 × 10−11 и 6,674484 × 10−11 метров в кубе на килограмм на секунду в квадрате, оба с погрешностью 0,00116%.

Повторение этого опыта и предыдущих для определения ранее неизвестных источников погрешности или же разработка новых техник по измерению гравитационной постоянной даст понять, почему расчеты этой фундаментальной постоянной все еще различаются.