Заново измерена гравитационная постоянная
Гравитационная постоянная G определяет силу гравитации — силу, которая заставляет яблоки падать на землю или притягивает Землю по орбите вокруг Солнца. Это часть закона всемирного тяготения Исаака Ньютона, который он впервые сформулировал более 300 лет назад. Константу нельзя вывести математически, её надо определять опытным путем.
С помощью этой экспериментальной установки исследователям ETH удалось по-новому определить гравитационную постоянную. Авторы и права: Юрг Дуал / IMES / ETH Zurich
На протяжении веков ученые проводили многочисленные эксперименты, чтобы определить значение G, но нынешняя цифра не устраивает научное сообщество. Она еще менее точна, чем значения всех других фундаментальных естественных констант, например скорости света в вакууме.
Одна из причин, по которой гравитацию чрезвычайно трудно измерить количественно, заключается в том, что это очень слабая сила и ее нельзя изолировать: когда вы измеряете гравитацию между двумя телами, вы также измеряете влияние всех других тел в мире.
«Единственный вариант разрешения этой ситуации — измерить гравитационную постоянную с помощью как можно большего количества различных методов», — объясняет Юрг Дуал, профессор кафедры машиностроения и технологического проектирования Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Он и его коллеги провели новый эксперимент по переопределению гравитационной постоянной и представили свою работу в научном журнале Nature Physics.
Новый эксперимент в старой крепости
Чтобы максимально исключить источники помех, команда Дуала установила свое измерительное оборудование в бывшей крепости Фурггельс, расположенной недалеко от Пфеферса над Бад-Рагацем, Швейцария. Экспериментальная установка состоит из двух балок, подвешенных в вакуумных камерах. После того как исследователи заставили один вибрировать, гравитационная связь заставила второй луч также демонстрировать минимальное движение (в диапазоне пикометров, т. е. одна триллионная часть метра). Используя лазерные устройства, команда измерила движение двух лучей, и измерение этого динамического эффекта позволило им сделать вывод о величине гравитационной постоянной.
Значение, полученное исследователями с помощью этого метода, на 2,2 процента выше, чем текущее официальное значение, данное Комитетом по данным для науки и технологий. Тем не менее, Дуала признает, что новое значение подвержено значительной неопределенности: «Чтобы получить надежное значение, нам все еще необходимо значительно уменьшить эту неопределенность. Мы уже проводим измерения с немного измененным экспериментальная установка, так что мы можем определить константу G с еще большей точностью». Первоначальные результаты доступны, но еще не опубликованы. Тем не менее, Дуала подтверждает, что «мы на правильном пути».
Исследователи проводят эксперимент удаленно из Цюриха, что сводит к минимуму помехи со стороны персонала, присутствующего на месте. Команда может просматривать данные измерений в режиме реального времени в любое время.
Для эксперимента оранжевый стержень вибрирует, что заставляет синий стержень двигаться под действием гравитационных сил. Чрезвычайно малые перемещения стержней с высокой точностью обнаруживаются четырьмя лазерными устройствами. Предоставлено: Юрг Дуал / IMES / ETH Zürich
Взгляд в историю Вселенной
Для Dual преимущество нового метода заключается в том, что он динамически измеряет гравитацию с помощью движущихся лучей. «В динамических измерениях, в отличие от статических, не имеет значения, что невозможно изолировать гравитационное воздействие других тел», — говорит он. Вот почему он надеется, что он и его команда смогут использовать эксперимент, чтобы решить загадку гравитации. Наука еще не до конца поняла эту природную силу или связанные с ней эксперименты.
Например, лучшее понимание гравитации позволило бы нам лучше интерпретировать сигналы гравитационных волн. Такие волны впервые были зарегистрированы в 2015 г. в обсерваториях LIGO в США. Они возникли в результате слияния двух вращающихся черных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли. С тех пор ученые задокументировали десятки таких событий; если бы их можно было проследить в деталях, они открыли бы новые взгляды на вселенную и ее историю.
Вершина карьеры
Дуал начал работать над методами измерения гравитационной постоянной в 1991 году, но в какой-то момент приостановил свою работу. Однако наблюдение гравитационных волн в LIGO придало ему новый импульс, и в 2018 году он возобновил свои исследования. В 2019 году команда проекта создала лабораторию в крепости Фурггельс и приступила к новым экспериментам. Помимо ученых из группы Дуала и профессора статистики, в проекте также участвовал персонал инфраструктуры, такой как специалисты по чистым помещениям, инженер-электрик и механик. «Этот эксперимент был бы невозможен без многолетних усилий команды», — говорит Дуал.
Дуал становится почетным профессором в конце июля этого года и уже прочитал свою прощальную лекцию. «Успешный эксперимент — хороший способ завершить мою карьеру», — говорит он.
