Старейшая тайна гравитации. Это «Большое G». Гравитационная постоянная в этом году отметила свой 340-летний юбилей. Еще в 1686 году Ньютон поместил ее в центр своего закона всемирного тяготения. Вскоре он опубликовал «Математические начала натуральной философии», предложив оценку, но отказався зафиксировать точное число. Он не измерял ее. Он оставил это значение открытым вопросом.
Прошли века. Наука продвинулась вперед. Компьютеры стали быстрее. Приборы точности уменьшились в размерах.
Однако «Большое G» остается самой упрямой фундаментальной константой, известной нам.
Мы до сих пор не можем сойтись во мнении о том, каково ее истинное значение. Значения, получаемые учеными, продолжают «дрейфовать». У нас есть диапазон, а не число. Размытая зона неопределенности, которая беспокоит физиков. Особенно метрологов. Например, Штефана Шламмингера из Национального института стандартов и технологий (NIST).
Он потратил десять лет, пытаясь навести порядок в этом хаосе.
Драма была реальной. Процесс включал вскрытие конверта. Не с поздравительной открыткой, а конверта, скрывающего систематическую ошибку (смещение). То самое откровение, которое ты мог бы увидеть на церемонии «Оскар», только победителем здесь оказывается чуть иное числовое значение гравитации.
«Большое G» присутствует во всех наших уравнениях. Если его значение колеблется, все остальное тоже дает трещину. Это беспокойство обосновано.
«G — самая хорошо охраняемая тайна гравитации», — сказал Шламмингер Space.com. «Она занимает особое положение: это старейшая фундаментальная константа… и одновременно наименее точно известная из всех».
Он называет это одним из величайших позоров физики.
Возможно, она заслуживает этого.
Переосмысление Большого G
Ньютон представил «Большое G» как основу своего закона всемирного тяготения. Уравнение описывает притяжение между каждой частицей во Вселенной. Оно уменьшается с расстоянием. В квадрате. Обратно пропорционально. Казалось бы, просто. Но «Большое G» фиксировано. В то время как масса и расстояние меняются от места к месту, «Большое G» не должно меняться.
Если только оно не меняется.
В 1915 году Эйнштейн изменил правила игры. Его общая теория относительности заменила ньютонову силу притяжения геометрией. Пространство-время изгибается вокруг массы. Кривизна есть гравитация.
Но «Большое G» пережило этот переворот.
Оно просто сменило роли. Теперь оно измеряет «жесткость» пространства-времени. Меньшее значение G означает, что пространство сопротивляется деформации. Большее значение G позволяет звездам и планетам легче сминать реальность. Шламмингер описывает это как нечто, «выпеченное» в ткани бытия, неизменное в пространстве и времени.
В ньютоновской физике оно давало силу притяжению. Во вселенной Эйнштейна оно придает упругость пустоте.
Мы впервые измерили его правильно в 1798 году. Генри Кавендиш подвесил свинцовые шары к балке. Он наблюдал, как они слабо притягивают друг друга. Очевидно, он вычислил плотность Земли и получил значение G.
Прошло 227 лет с момента эксперимента Кавендиша с крутильными весами. У нас теперь есть спутники. Лазеры. Суперкомпьютеры.
Мы по-прежнему не ближе к точному закреплению этого числа.
«Гравитация — безусловно, самая слабая сила».
Выделить ее — это кошмар. Вы можете защититься от магнитных полей. Поставьте металл между собой и магнитом, и проблема исчезнет. Попробуйте сделать то же самое с гравитацией.
Все притягивает. Всегда. Каждый атом в вашем теле, здание, планета. Нет выключателей.
Команда Шламмингера не может усилить сигнал. Они берут то, что дает гравитация. Обычно это ничто.
Существует 17 признанных измерений G. Они должны сходиться. Вместо этого они расходятся. Как мокрая краска, попавшая на пол. Никто не знает почему. Метрологи ненавидят это. Схождение данных — вот суть измерения.
Когда числа отказываются сходиться к среднему, вы подозреваете ошибку в методике. Или что-то в методике лжет вам.
Хитрость с конвертом
Чтобы получить свежий результат, команда Шламмингера в Гейтсберге, штат Мэриленд, воспроизвела эксперимент, проведенный Международным бюро мер и весов (BIPM) в Севре, Франция. Репликация рискованна. Люди — машины по поиску паттернов. Если вы знаете, как должен выглядеть «хороший результат», ваш мозг начинает подсознательно направлять процесс к нему. Незаметно.
Мы называем это «интеллектуальной фазовой синхронизацией». Вы прекращаете эксперимент слишком рано. Или игнорируете выбросы данных. Это не злонамеренно. Это биологически. Мы хотим подтверждения, а не исправления.
Шламмингер отказался рисковать.
Он поручил коллеге добавить фиктивное смещение. «Биас». Они немного изменили веса, ровно настолько, чтобы исказить расчеты, затем спрятали поправочный коэффициент в запечатанный конверт. Экспериментаторы провели тест. Они взвешивали свои образцы. Они собирали сырые данные.
Ни один из них не знал своего реального значения «Большого G».
Не до самого конца.
План предусматривал вскрытие этого конверта в 2022 году. Он прождал еще четыре года. Июль 2011? Нет, подождите — Шламмингер упустил кое-что. Крошечная ошибка в том, как давление воздуха влияет на показания массы.
Физика требует терпения. Даже от людей, которые знают, как ведет себя воздух.
Наконец, в июле 2024 года.
Они вскрыли конверт.
Полученное значение «Большого G» оказалось ниже стандартной принятой цифры, установленной Комитетом по данным (CODATA). Конкретно, на 0,0000064 меньше.
Осознайте это. Это бесконечно малая величина.
Но гравитация умножает эффекты. При больших массах и огромных расстояниях малые изменения взрываются в крупные последствия. Шламмингер привел аналогию со временем. Если часы отстают на 0,006 секунды в день, то через полный год эти часы потеряют около 34 минут.
Маленькие погрешности накапливаются.
Если это новое измерение «Большого G» окажется верным, последствия будут физически весомыми. Наша Земля тяжелее, чем мы думали. Намного тяжелее. Примерно на 320 квинтиллионов килограммов больше, чем текущая принятая масса. Или примерно на 360 триллионов миллиардов фунтов камня, которые мы как-то забыли учесть.
Это не изменит ничего за завтраком. Вам не нужно больше еды на обед. Планета не давит на вас сильнее. Но космологов это беспокоит. Планетарные модели зависят от точных гравитационных констант.
Разгадана ли тайна?
Нет.
Одна команда с новым оборудованием — это не то же самое, что консенсус. Остальные 16 измерений по-прежнему спорят с числом Шламмингера. Разброс сохраняется. Данные по-прежнему сопротивляются.
«Базовое разногласие… все еще будет там», — сказал Шламмингер, признавая, что головная боль продолжается.
Для него работа сделана. Десять лет гонки за числом — это целая вечность в исследованиях.
«Что касается меня, то обращаю ли я свое внимание на электрические величины…»
Он уходит. Изучая резисторы. Тестируя конденсаторы. Точная электроника вместо космического притяжения.
Он надеется устроить такие же проблемы и там.
Нам, вероятно, стоит этого ожидать. Если гравитация не собирается успокоиться, почему же электричеству?
Шламмингер закончил.
Вселенная — нет.
