Гравитационная постоянная (Big G) — старейшая фундаментальная константа в физике — до сих пор остаётся наименее точно измеренной величиной. Несмотря на 340 лет исследований, учёные до конца не уверены в её точном значении, что создаёт серьёзную неопределённость в понимании фундаментальных законов Вселенной.

Об этом рассказал Стефан Шламмингер из Национального института стандартов и технологий США (NIST), который посвятил десять лет попыткам уточнить значение Big G.

Старейшая и самая «неудобная» константа

Впервые гравитационная постоянная появилась в законе всемирного тяготения Ньютона в 1687 году. С тех пор она входит во все ключевые уравнения, описывающие гравитацию — от расчёта орбит планет до моделирования эволюции Вселенной. Однако, в отличие от других фундаментальных констант, значение Big G известно с относительно низкой точностью, и разные эксперименты дают заметно расходящиеся результаты.

«G — это самая хорошо хранимая тайна гравитации. Она старейшая фундаментальная константа, которую записал ещё Ньютон в 1687 году, и при этом наименее точно известная», — отметил Шламмингер.

Новый эксперимент с «закрытым конвертом»

Чтобы избежать предвзятости и «интеллектуального замыкания» (когда исследователи невольно подгоняют результат под ожидаемое значение), команда Шламмингера применила необычный метод. Они воспроизвели прецизионный эксперимент Международного бюро мер и весов (BIPM), но с важным дополнением: группа, отвечающая за массы, добавила неизвестное смещение (bias), которое хранилось в запечатанном конверте.

Учёные открыли конверт только 11 июля 2024 года, после того как убедились в согласованности собственных данных. Сам эксперимент был отложен на два года из-за необходимости учесть влияние давления воздуха.

Полученное значение Big G оказалось на 0,000064 ниже текущего рекомендованного значения CODATA. Хотя разница кажется ничтожно малой, она приводит к серьёзным последствиям. Например, если новое значение верно, то масса Земли на 320 квадриллионов тонн больше, чем считается сейчас.

Почему G так сложно измерить

Гравитация — самая слабая из четырёх фундаментальных сил, и её невозможно экранировать. Каждое тело во Вселенной притягивает все остальные, что создаёт огромные сложности при проведении точных измерений.

«Мы не можем усилить сигнал, как в других экспериментах. Мы вынуждены работать с тем, что даёт нам природа», — объясняет Шламмингер.

На сегодняшний день существует 17 серьёзных измерений Big G, и они до сих пор заметно расходятся. Причина этого расхождения остаётся одной из главных загадок современной метрологии.

Что дальше

Шламмингер признаёт, что загадка Big G ещё далека от решения. Однако новые измерения помогают сузить диапазон возможных значений и лучше понять, где могут скрываться систематические ошибки.

Сам исследователь после десяти лет работы решил временно отойти от фундаментальных констант и сосредоточиться на прецизионных измерениях электрических величин.

Результаты исследования опубликованы в журнале Metrologia.

Вкратце

Гравитационная постоянная (Big G), введённая Ньютоном 340 лет назад, остаётся наименее точно измеренной фундаментальной константой физики. Учёные NIST провели новое прецизионное измерение с использованием «слепого» метода, чтобы избежать предвзятости. Полученное значение немного отличается от принятого, что влияет на расчёт массы Земли. Несмотря на прогресс, причина расхождения разных измерений Big G остаётся одной из великих нерешённых проблем физики.