Legendi järgi viis Galileo Galilei Pisa Kiirtorni kohal esimese katse, mis näitas, et kõik objektid langesid sama kiirusega, sõltumata massist. Kõik kaks gravitatsiooniväljas langenud objekti kiirenevad õhutakistuse puudumisel (või selle tähelepanuta jätmisel) maapinnale sama kiirusega. See kodifitseeriti hiljem Newtoni juhtumi uurimise osana. (Getty pildid)

Teadlased tunnistavad piinlikult, et me ei tea, kui tugev gravitatsioonijõud on

Igal füüsikalisel teoorial on konstandid. Gravitatsioonikonstant on märkimisväärselt ebakindel.

Kui me esimest korda füüsiliste seaduste sõnastamist alustasime, tegime seda empiiriliselt: eksperimentide kaudu. Tilkutage pall tornilt maha, nagu Galileo seda võis teha, ja saate mõõta, kui kaugele see langeb ja kui kaua maapinnale löömine võtab. Vabastage pendel ja võite leida seose pendli pikkuse ja selle võnkumiseks kulunud aja vahel. Kui teete seda mitme vahemaa, pikkuse ja aja jooksul, näete, et tekib seos: langeva objekti kaugus on võrdeline aja ruuduga; pendli periood on võrdeline pendli pikkuse ruutjuurega.

Kuid selleks, et muuta need proportsioonid võrdusmärgiks, peate saama selle pideva õiguse.

Sisemise Päikesesüsteemi planeetide orbiidid pole täpselt ümmargused, kuid nad on üsna lähedal, kõige suuremate lahkumiste ja elliptilisusega on Merkuur ja Marss. 19. sajandi keskel hakkasid teadlased märkama elavhõbeda liikumises Newtoni gravitatsiooni ennustustest tulenevat lahkumist, mis oli kerge kõrvalekalle, mida seletati alles üldise relatiivsusega 20. sajandil. Sama gravitatsiooniseadus ja konstant kirjeldavad gravitatsiooni mõjusid kõikidele skaaladele, Maast kosmoseni. (NASA / JPL)

Nendes näidetes, nagu ka paljudes teistes, on proportsionaalsuse konstant seotud G-ga, gravitatsioonikonstandiga. Kuu tiirleb ümber Maa, planeedid tiirlevad ümber Päikese, gravitatsioonilise läätse tõttu valgus paindub ja komeedid kaotavad energiat, kui nad päikesesüsteemist põgenevad võrdeliselt G. Veel enne Newtoni tulekut, 1640. ja 1650. aastatel, rääkisid Itaalia teadlased Francesco Grimaldi ja Giovanni Riccioli tegid gravitatsioonikonstandi esimesed arvutused, mis tähendab, et see oli esimene fundamentaalne konstant, mis eales määratud: isegi enne seda, kui Ole Rømer määras valguse kiiruse 1676. aastal.

Newtoni universaalse gravitatsiooni seadus on Einsteini üldrelatiivsusega asendatud, kuid tugineb vahetu hetke toimimise (jõu) kontseptsioonile ja on uskumatult otsekohene. Selle võrrandi G gravitatsioonikonstant on endiselt suhteliselt vähe teada. (WIKIMEDIA ÜHINE KASUTAJA DENNIS NILSSON)

Kui võtate mis tahes kaks massi Universumis ja asetate need üksteise lähedusse, tõmbavad nad ligi. Newtoni seaduste kohaselt, mis kehtivad kõigis looduse, välja arvatud kõige äärmuslikumate masside (suurte masside) ja vahemaa (väikeste vahemaade) korral, on tõmbejõud seotud kahe massiga, nende vahelise eraldumisega ja G-ga, gravitatsioonikonstant. Sajandite jooksul oleme tohutu täpsusega täpsustanud paljude põhiliste konstantide mõõtmisi. Valguse kiirus c on täpselt teada: 299 792 458 m / s. Plancki konstandi ħ, mis reguleerib kvant interaktsioone, väärtus on 1,05457180 × 10 ^ -34 J⋅s, mõõtemääramatusega ± 0,000000013 × 10 ^ -34 J⋅s.

Aga G? See on täiesti teine ​​lugu.

Olenemata sellest, kas kasutatakse Newtoni või Einsteini gravitatsioonikoostist, määratakse jõu tugevus osaliselt gravitatsioonikonstandi G väärtusega, mille väärtust tuleb mõõta empiiriliselt ja mida ei saa tuletada ühestki teisest suurusest. (ESO / L. CALÇADA)

1930ndatel mõõdeti G väärtuseks 6,67 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², hiljem täpsustati 1940. aastatel väärtuseks 6,673 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², mõlemad teadlane Paul Heyl. Nagu arvata võis, muutusid väärtused aja jooksul aina paremaks ja ebakindlus langes 1990. aastate lõpus 0,1% -lt 0,04% -ni kuni 0,012% -ni, peamiselt tänu Barry Taylori tööle NIST-is.

Tegelikult, kui tõmmake välja osakeste andmegrupi brošüüri vana koopia, kus need annavad põhikonstandid, leiate seal G-väärtuse, mis näeb hea välja: 6,667259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², koos mõõtemääramatus vaid 0,00085 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

Põhiliste konstantide väärtused, nagu need olid teada 1998. aastal ja avaldatud Particle Data Groupi 1998. aasta brošüüris. (PDG, 1998, ER COHENI JA BN TAYLORI ALUSEL, REV. MOD. PHYS. 59, 1121 (1987))

Kuid siis juhtus midagi naljakat.

Hiljem samal aastal näitasid tehtud eksperimendid väärtust, mis oli nende väärtustega ebajärjekindlalt kõrge: 6,664 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Mitu meeskonda, kasutades erinevaid meetodeid, said G väärtused, mis olid üksteisega vastuolus 0,15% tasemel, mis on rohkem kui kümme korda varem teatatud ebakindlus.

Kuidas see juhtus?

Algne G mõõtmise katse, mille on kavandanud ja avaldanud Henry Cavendish, põhineb väändetasakaalu põhimõttel, mis väändub ja liigub lähedal asuva hästi mõõdetud massi gravitatsioonilise külgetõmbe põhjal. (H. CAVENDISH, LONDONI kuningliku ühiskonna filosoofilised tehingud (II OSA) 88 P.469–526 (21. juuni 1798))

Gravitatsioonikonstandi esimene täpne mõõtmine, mis oli sõltumatu teistest tundmatutest (näiteks Päikese massist või Maa massist), saadi alles Henry Cavendishi katsetega 18. sajandi lõpus. Cavendish töötas välja väändetasakaaluna tuntud eksperimendi, kus miniatuursed triibud rippusid traadi abil ja olid tasakaalus. Mõlemas otsas asuvate masside lähedal paiknesid kaks suuremat massi, mis tõmbaks väikeseid masse gravitatsiooniliselt. Väändehulk, mida miniatuurne barbell koges, kui massid ja vahemaad olid teada, võimaldaks meil katseliselt mõõta gravitatsioonikonstanti G.

Hoolimata paljudest edusammudest füüsikas viimase 200+ aasta jooksul, kasutatakse G-mõõtmisel täna sama põhimõtet, mida kasutati algses Cavendishi katses. 2018. aasta seisuga pole ühtegi mõõtemeetodit ega eksperimentaalset seadistust, mis annaks suurepäraseid tulemusi . (CHRIS BURKS (CHETVORNO) / WIKIMEDIA COMMONS)

On tõsiselt kahtlustatav, et üks peamisi mänginud tegureid oli tuntud psühholoogiline tegur, mis kinnitas eelarvamusi. Kui kõik teie kolleegid saavad selliseid mõõtmeid nagu 6,667259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², võiksite mõistlikult eeldada, et saate midagi sellist: 6,667224 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² või 6,667293 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², kuid kui teil oleks midagi sellist nagu 6,67532 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², siis eeldaksite tõenäoliselt, et tegite midagi valesti.

Otsiksite võimalikke vigade allikaid, kuni leidsite need. Ja viiksite katse uuesti ja uuesti läbi, kuni saite midagi mõistlikku: midagi, mis oleks vähemalt kooskõlas mõõtmetega 6,667259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

1997. aastal viis Bagley ja Lutheri meeskond väändetasakaalu eksperimendi, mille tulemuseks oli 6,664 x 10 ^ -11 N / kg² / m², mida võeti piisavalt tõsiselt, et seada kahtluse alla G määramise varem teatatud olulisus. (DBACHMANN / WIKIMEDIA COMMONS)

Seetõttu oli see selline šokk 1998. aastal, kui väga ettevaatlik meeskond sai tulemuse, mis erines varasematest tulemustest märkimisväärselt 0,15%, kui väideti, et nende varasemate tulemuste vead olid rohkem kui kümme korda allpool see erinevus. NIST vastas sellele, visates välja eelnevalt välja toodud ebamäärasused ja väärtused kärbiti järsku, et saada maksimaalselt neli olulist arvu, millele lisandus palju suurem ebamäärasus.

Algsest Cavendishi eksperimendist inspireeritud väändekaalud ja väändependlid on endiselt G-mõõtmisel teed näitajad, edestades hilisemat aatomi-interferomeetriliste katsete tehnikat. Tegelikult väitis Hiinast pärit meeskond alles eelmisel nädalal, et saab G sõltumatutest mõõtmistest kõige täpsema mõõtmise: 6,6674184 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² ja 6,6674484 × 10 ^ -11 N / kg² /m², ning määramatus on vaid 11 miljondikosa kummagi kohta.

Kaks eksperimentaalse seadistamise meetodit, mis ilmusid 2018. aasta augusti lõpus ajakirjas Nature, mis andsid täpsema (väidetava) G mõõtmise seni. (Q. LIU ET AL., LOODUS VOL. 560, 582–588 (2018))

Need väärtused võivad omavahel kokku leppida kahe standardhälbe piirides, kuid nad ei nõustu teiste meeskondade poolt viimase 15 aasta jooksul tehtud muude mõõtmistega, mis ulatuvad 6,6757 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² ja nii madal kui 6,6719 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Kui teised põhikonstandid on teada täpsusega, mis jääb vahemikku 8–14 olulist numbrit, siis G-määramatus on kuskil tuhandeid kuni miljardeid kordi suurem.

Aatomiline üleminek 6S-i orbiidilt Delta_f1 on üleminek, mis määratleb meetri, sekundi ja valguse kiiruse. Pange tähele, et meie universumit kirjeldavad fundamentaalsed kvantkonstandid on tuhandeid kordi suurema täpsusega kui G - esimene kunagi mõõdetud konstant. (A. FISCHER ET AL., AMEERIKA AKUSTILISE ÜHISKONNA ŽURNAL (2013))

Universumi gravitatsioonikonstant G oli esimene konstant, mida kunagi mõõdetud. Veel enam kui 350 aastat pärast selle väärtuse esmakordset kindlaksmääramist on tõeliselt piinlik, kui halvasti tuntud on kõigi teiste konstantidega võrreldes meie teadmised sellest. Me kasutame seda konstanti terve hulga mõõtmiste ja arvutuste tegemisel, alates gravitatsioonilistest lainetest kuni pulsaari ajastuni kuni Universumi laienemiseni. Kuid meie võime seda kindlaks teha põhineb ju siin Maal tehtud väikesemõõtmelistel mõõtmistel. Pisimad ebakindluse allikad, alates materjalide tihedusest kuni seismiliste vibratsioonideni kogu maailmas, võivad olla meie teeks selle kindlakstegemiseks. Kuni me ei saa paremini hakkama, on kõikjal, kus gravitatsiooniline nähtus on oluline, ebamugavalt suur ebakindlus. On aasta 2018 ja me ei tea endiselt, kui tugev gravitatsioon tegelikult on.

Starts With A Bang on nüüd Forbesil ja tänu meie Patreoni toetajatele uuesti keskkonnas avaldatud. Ethan on kirjutanud kaks raamatut "Beyond The Galaxy" ja "Treknology: The Star of Treki teadus Tricordersist Warp Drive'i".