Измерения силы тяжести в разных лабораториях не совпадают.
В конверте, который держал в руках Стефан Шламмингер, один из ведущих мировых экспертов в области экспериментальных исследований гравитации, был какой-то секрет. Казалось, что во время доклада на заседании Американского физического общества в апреле 2022 года он уже готов вскрыть конверт, чтобы прочитать число, которое покажет, увенчались ли успехом его последние усилия в деле, которым он увлекался всю жизнь.
Шламмингер из Национального института стандартов и технологий в Гейтерсбурге (штат Мэриленд) пытался измерить гравитационную постоянную Ньютона. Секретное число в конверте было своего рода кодом - намеренной и специфической ошибкой, введенной в эксперимент NIST, чтобы скрыть результаты измерений. Это число знал только один человек. И этим человеком был не Шламмингер.
Не имея доступа к ней, он не мог знать, что было обнаружено в ходе эксперимента. Шламмингер наложил на себя гриф секретности, чтобы защитить эксперимент от предвзятости, включая неосознанную предвзятость, которая может подстерегать даже самых лучших экспериментаторов. Это была дополнительная мера предосторожности для обеспечения целостности эксперимента, который мог помочь распутать загадочные расхождения в измерениях константы, известной как G, которые появились за последние несколько десятилетий.
G, часто называемая "большой G" (чтобы отличить ее от "g", которая зависит от G и является частным случаем ускорения силы тяжести вблизи поверхности Земли), отражает силу притяжения между любыми предметами, обладающими массой. Она определяет орбиты планет и галактик, а также описывает силу, которая притягивает вас к земле. По словам Клайва Спика, физика из Бирмингемского университета (Англия), разработавшего прибор, который Шламмингер использует в NIST, никто не знает, как теоретически предсказать, каким должно быть реальное значение G.
Кроме того, его очень трудно измерить. После двух столетий повышения точности последние измерения G вызывают беспокойство. В нескольких лабораториях по всему миру были получены значения, которые не совпадают (SN Online: 4/30/15). Разброс значений может быть признаком проблем с техникой измерений у разных групп, а может быть и более интригующим аспектом.
"В комнате есть некий призрачный слон, который наводит на мысль, что, возможно, происходит что-то, чего мы не понимаем", - говорит Спик. "Если измерения верны, то это может стать величайшим открытием со времен Ньютона".
Как и многие другие научные презентации времен COVID-19, открытие Шламмингера должно было быть виртуальным. Предположительно, другие физики и научные репортеры по всему миру, как и я, сгорбились над экранами, ожидая, что же скажет нам секретное число о G.
Пришло время вскрыть конверт. Но видеотрансляция прекратилась. Большое открытие было отменено. Загадочные расхождения в измерениях означали, что цифрам нельзя доверять. Конверт оставался запечатанным еще как минимум год, пока Шламмингер возвращался в лабораторию, чтобы сделать еще одну попытку провести одно из самых сложных измерений в физике.
Что такое гравитационная постоянная Ньютона?
Гравитационная постоянная Ньютона - это неправильное название. Хотя Исаак Ньютон разработал свою теорию гравитации в XVII веке, он не мыслил в терминах G. Его интересовало прежде всего то, как сила перемещает объекты. Падение яблок, движение планет по орбите и удивительно сплюснутая форма Земли - вот лишь некоторые из бесчисленных явлений, которые объясняла теория Ньютона, и все это без явного упоминания G. Постоянная, названная в честь Ньютона два столетия спустя, вместо этого была обернута в массу, участвующую в движении.
Теперь мы знаем, что теория Ньютона является лишь приближением к более всеобъемлющей версии гравитации Эйнштейна - общей теории относительности. Теория Эйнштейна понадобилась для того, чтобы объяснить сильную гравитацию черных дыр и искривление пространства и времени. Однако здесь, на Земле, именно ньютоновская теория гравитации волнует Шламмингера и других желающих измерить G.
Сила гравитации зависит от трех факторов: массы, расстояния между массами и G. Хотя массы и расстояния различаются в зависимости от того, рассматриваете ли вы силы между вами и Землей, например, или планетой, вращающейся вокруг Солнца, G всегда одинакова. Наряду с массами элементарных частиц, зарядом электрона и скоростью света G является одной из десятков констант, имеющих сегодня важнейшее значение для науки (SN: 11/12/16, p. 24).
Однако G выделяется среди остальных. Это одна из самых старых зарегистрированных констант - раньше была измерена только скорость света. Однако, несмотря на сотни изящных экспериментов, проведенных 225 лет назад британским физиком Генри Кавендишем, G остается одной из наименее точно известных фундаментальных констант.
И в некотором смысле наше понимание G за последние десятилетия только ухудшилось, поскольку появились новые, несовместимые с реальностью измерения.
Последние измерения большой силы тяжести не согласуются
Когда Кавендиш проводил свои первые измерения силы тяжести в лаборатории, он опирался на набор свинцовых шаров. Два из них были подвешены на обоих концах стержня длиной 6 футов (около 2 м), а вся конструкция была подвешена на проволоке. Затем он поместил рядом более крупные свинцовые шары и измерял силы, возникающие между сферами, следя за тем, как висящий стержень крутится на проволоке. Хотя Кавендиша в первую очередь интересовало определение плотности Земли, небольшая манипуляция с его результатами показывает, что он впервые эффективно измерил G. Он получил значение, примерно на 1% превышающее общепринятое сегодня.
Многие современные эксперименты по измерению G являются усовершенствованными версиями установки Кавендиша. В том числе и та, которую использовал Шламмингер. Вместо свинцовых шаров в установке Шламмингера используются точно обработанные медные цилиндры. Четыре 1,2-килограммовых цилиндра, называемые пробными массами, опираются на диск, подвешенный на металлической ленте. Гравитационное притяжение между подвешенными цилиндрами и расположенными рядом четырьмя более крупными медными цилиндрами массой около 11 кг заставляет диск вращаться на ленте. Шламмингер называет тяжелые цилиндры исходными массами. Он также провел эксперимент с набором исходных масс, изготовленных из кристалла сапфира, чтобы проверить, зависит ли G от используемых материалов (не должно). Если Кавендиш использовал большой деревянный ящик для защиты своего аппарата от шальных ветров, то Шламмингер использует вакуумную камеру, в которой воздух практически полностью отсутствует.
Концептуально эксперимент, проводимый в NIST, аналогичен тому, который использовал Кавендиш. Однако современные эксперименты обеспечивают гораздо более высокую точность.
Эксперименты Кавендиша дали значение 6,74 х 10-11 кубических метров на килограмм-секунду в квадрате. Это число верно с точностью до одной части из 100. В настоящее время принятое значение составляет 6,67430 х 10-11 с погрешностью около одной части на 50 000, что означает ошибку плюс-минус 0,00002 х 10-11. В некоторых экспериментах подобная точность достигалась за счет использования маятников, раскачивающихся вблизи тяжелых масс, а не скрученных проводов.
Но с ростом точности возникла новая проблема. Измерения, проведенные за последние 20 лет различными группами, не совпадают. Такое впечатление, что G в разных местах и в разное время немного отличается так, что экспериментальная ошибка не может быть учтена. Прибор Шламмингера был передан в NIST из Международного бюро мер и весов (BIPM) в Севре (Франция), где исследователи получили значение 6,67554 x 10-11, что явно отличается от принятого (SN Online: 9/12/13).
Наиболее вероятной причиной расхождений является то, что в каждой экспериментальной системе есть что-то свое, уникальное. Исследователи стремятся выявить подобные систематические ошибки. Но измерить гравитацию очень сложно, как потому, что это самая слабая из фундаментальных сил (гравитация настолько слаба, что в некоторых современных экспериментах для определения G используются тонны материала), так и потому, что все, что имеет массу, обладает гравитацией. Невозможно оградить эксперименты от других источников гравитации, поэтому исследователи должны попытаться учесть внешнее влияние.
Как вариант, расхождения в значении G могут быть связаны с местом проведения экспериментов. Возможно, значение G в Севре действительно на 0,04% выше, чем значение G, недавно измеренное, например, в Боулдере, штат Колорадо. Никто из экспертов, с которыми удалось связаться для подготовки статьи, не считает такой сценарий вероятным. Однако, заимствовав гравитационный эксперимент BIPM и переместив его в кампус NIST в Мэриленде, Шламмингер должен подтвердить, что G не меняется от места к месту. Это при условии, что ему удастся решить проблему, которая помешала ему в апреле 2022 года.
Почему нас волнует точность измерения большого G?
Зачем ученым вообще нужно измерять G с постоянно возрастающей точностью?
По мнению некоторых экспертов, это не так. "С практической точки зрения, нет никакой пользы от лучшего знания G", - говорит физик Клиффорд Уилл из Университета Флориды в Гейнсвилле. Другие константы, такие как заряд электрона и скорость света, "играют огромную роль во всех видах важных технологий, а G - нет, потому что гравитация чертовски слаба", - говорит Уилл. "К тому времени, когда гравитация будет иметь значение, в масштабах от планет до Вселенной, значение будет иметь G, умноженное на массу".
Физик Клаудия де Рэм из Имперского колледжа Лондона придерживается другой точки зрения. "G определяет силу гравитации. В ньютоновской гравитации она говорит о том, как два массивных тела притягиваются друг к другу, а в общей теории относительности Эйнштейна эта константа сообщает о том, как все в нашей Вселенной искривляет ткань пространства-времени". По ее словам, лучшее понимание G может помочь объяснить, почему гравитация намного слабее электромагнитных сил или сильных ядерных сил, которые удерживают части атомов вместе.
Хотя общая теория относительности оказалась одной из самых успешных и революционных теорий в истории, де Рам отмечает, что ее описание гравитации может быть неполным (SN: 2/13/21, p. 16). "Проверка G с более высокой точностью позволяет нам понять, насколько G действительно постоянна и универсальна и не может ли существовать что-то еще за пределами общей теории относительности Эйнштейна", - говорит де Рэм.
Некоторые исследователи предполагают, что точные измерения G могут в один прекрасный день помочь найти решение одной из самых глубоких загадок науки: Почему гравитация не вписывается в квантовую физику? Стандартная модель физики частиц - это квантовая теория, которая описывает практически все во Вселенной, кроме гравитации. По словам де Рама, лучшее понимание G может привести к созданию квантовой версии гравитации, которая необходима для того, чтобы вписать гравитацию в стандартную модель. О такой "теории всего" физики мечтали, по крайней мере, со времен Эйнштейна.
Для Шламмингера мотивация многогранна. "В основном это чистое любопытство. А сейчас соль на рану сыплется от того, что соглашение [между экспериментальными группами] настолько плохое". Кроме того, им движет азарт, связанный с продвижением чрезвычайно сложного эксперимента. "Почему люди поднимаются на Эверест? Говорит Шламмингер. "Потому что она там".
Другие подходы к измерению больших G
Одна из извечных проблем экспериментов в стиле Кавендиша - это провода. Чтобы интерпретировать происходящее с G, исследователи должны знать, как реагируют подвешенные провода на скручивание или раскачивание и как они меняются с возрастом.
Некоторые исследователи предпочитают вообще отказаться от назойливых проводов, вместо этого подбрасывая или бросая предметы, чтобы посмотреть, как они реагируют на притяжение близлежащих масс. В наиболее точных на сегодняшний день вариантах таких экспериментов переохлажденные облака атомов подбрасывают вверх на башне, а затем позволяют им снова упасть вниз. Подбрасывая атомы вверх, ученые могут наблюдать, как гравитационная сила, создаваемая этими объектами, влияет на траекторию атомов. До сих пор точность экспериментов с подвешенной массой не достигала 10 раз, а составляла одну часть из 5 000.
В недавнем эксперименте, разработанном для других целей, также обошлись без проводов. Миссия Laser Interferometer Space Antenna, или LISA, Pathfinder, представляла собой экспериментальную проверку другого типа гравитационных экспериментов. Она должна была продемонстрировать возможность точного измерения расстояния между объектами в космосе - ключевой момент для создания космического детектора гравитационных волн (SN Online 12/3/15).
LISA Pathfinder удалось измерить расстояние между объектами достаточно хорошо, чтобы найти G с точностью примерно до одной части из 15. Это грубо по сравнению с точностью Кавендиша, равной одной к 100, и гораздо хуже, чем другие современные измерения. Однако это показывает, что эксперимент в космосе, свободный от сложностей, связанных с проводами и близлежащими массивными объектами, такими как Земля, потенциально способен измерить G совершенно новым способом.
Миссия LISA Pathfinder, хотя и была разработана и запущена для других целей, измерила расстояние между двумя объектами в свободном падении на космическом аппарате (на иллюстрации) достаточно хорошо, чтобы найти G с точностью примерно до одной части из 15. Это свидетельствует о том, что G может быть измерено без влияния земного притяжения.
Другой недостаток экспериментов Кавендиша состоит в том, что в них измеряются силы между объектами, которые либо движутся медленно, либо стоят совершенно неподвижно. Такие эксперименты не могут сказать многого о том, остается ли G постоянной при быстром движении.
В экспериментах, проводимых в глубине горы в Швейцарии, исследователь в области машиностроения Юрг Дуаль из ETH Zurich заменяет статичные массы вибрирующими балками или стержнями, вращающимися подобно лопастям вертолета (SN Online: 7/11/22). В результате движений изменяется расстояние между подвижными частями и балкой, выполняющей роль детектора, что, в свою очередь, приводит к изменению гравитационных сил, которые ощущает детекторная балка. Балка детектора вибрирует, как вилка, и по величине этих колебаний можно судить о величине G.
В отличие от обычных экспериментов, в этом эксперименте можно определить, зависит ли G от движения, что "на самом деле может быть чем-то весьма впечатляющим", - говорит Дуал. Что касается того, насколько это вероятно, то "я совершенно открыт", - говорит он.
Пока же Шламмингер и другие исследователи, использующие подвешенные массы, как это делал Кавендиш 225 лет назад, продолжают проводить наиболее точные измерения.
Пока нет четкого ответа
Лаборатория Шламмингера в кампусе NIST находится значительно ниже его офиса. "Это примерно четыре этажа под землей", - говорит он. Там меньше вибраций, легче стабилизировать температуру, и пол в лаборатории не так сильно наклоняется". Обычно здания наклоняются при изменении ветровой нагрузки. Под землей такой проблемы нет".
Во время моего визита в NIST через месяц после отмены открытия мы спустились на несколько лестничных пролетов и прошли через пустой холл, прежде чем войти в комнату, внутри которой лежит липкий коврик. Он предназначен для очистки обуви от пыли, когда вы входите в помещение. Тем не менее Шламмингер переходит на специальную пару обуви, которую он хранит в лаборатории, и дает мне чехлы, чтобы я надел их на подошвы своих ботинок. Затем мы проходим через еще одну герметичную дверь, чтобы увидеть гравитационный эксперимент, переданный во временное пользование NIST. Все должно быть аккуратно, если вы пытаетесь сделать что-то столь сложное, как измерение G.
Пыль, попадая на наконечники измерительных зондов, может исказить показания положения цилиндров. "Вторая проблема, хотя и меньшая, - говорит Шламмингер, - заключается в том, что пыль, оседающая на массу источника, может изменить его массу".
Эксперимент G меньше, чем новаторская разработка Кавендиша. Его можно было бы разместить на скромном обеденном столе. Здесь же он стоит на массивной плите, которая минимизирует вибрации, успевающие дойти до лаборатории. Вакуумная камера скрывает от глаз некоторые движущиеся части прибора.
В данный момент Шламмингер находится в перерыве между работами, но четыре медные массы-источника, каждая диаметром примерно с двухлитровую бутылку газировки, уже готовы к следующему измерению G. Исходные массы катаются на карусели за пределами вакуумной камеры, в то время как тестовые массы располагаются на диске, подвешенном внутри камеры.
В лаборатории Национального института стандартов и технологий ученые используют обновленную версию (на рисунке) эксперимента вековой давности, чтобы попытаться определить точное значение гравитационной постоянной Ньютона.
В экспериментальном режиме, наиболее близко имитирующем эксперимент Кавендиша, слежение за вращением диска при его закручивании на подвесной ленте позволяет измерить силу, действующую между исходной и пробной массами, и определить G. В другом режиме Шламмингер определяет G, находя силу, которая требуется для того, чтобы диск не вращался.
Рядом в футляре находится набор исходных масс из сапфирового стекла, которые по размеру не отличаются от медных. Они могут занять место медных на карусели, чтобы подтвердить, что G - истинная константа, не зависящая от используемых материалов. При массе, примерно в два раза превышающей массу сапфировых цилиндров, медные версии обеспечивают более точное измерение G. Однако сколько именно весит каждая из исходных масс, Шламмингер не знает. Это связано с секретным числом, спрятанным в запечатанном конверте.
"Большое M, которое представляет собой массы моих больших медных масс, - говорит он, - я, по сути, попросил эту группу масс в NIST, которая их измеряла, добавить случайный фактор". Любые его исследования G будут несколько смещены из-за случайного фактора, добавленного к истинным массам. Насколько сильно отклоняется измерение, станет ясно только после того, как он вскроет конверт. Так почему же он не открыл его в апреле 2022 года?
"Я измерял большое G около трех месяцев подряд", - говорит Шламмингер, открывая вакуумную камеру, чтобы проверить расположение цилиндров. "Затем я сделал еще один запуск Big G, и число оказалось другим. Поэтому я не стал вскрывать конверт, так как решил, что я чего-то не понимаю".
Оказалось, что он заранее записал свое выступление и рассчитывал раскрыть ответ в реальном времени на встрече. Он передумал до начала трансляции презентации, поэтому аудитория осталась в недоумении.
Есть намеки на то, что изменения в качестве вакуума, происходящие при открытии и закрытии экспериментальной камеры, связаны со сдвигами в измерениях. Это еще один фактор, который, по словам Шламмингера, исследователям придется иметь в виду, если они хотят понять расхождения в измерениях гравитационной постоянной Ньютона.
В настоящее время Шламмингер вновь проводит эксперимент. Но спустя год, на заседании Американского физического общества в Миннеаполисе в 2023 году, он все еще не готов вскрыть конверт. "Я очень, очень осторожен с этим, потому что конверт нельзя вскрыть".
