Это интереснее, чем копать лопатой асфальт...
В течение 10 лет физик Стефан Шламмингер пытался разгадать одну из самых сложных задач в науке. И вот, после десятилетия экспериментов, корректировок и кропотливого анализа, ответ оказался в запечатанном конверте.
Он не был до конца уверен, что хочет его открывать.
Шламмингер, физик из Национального института стандартов и технологий (NIST), большую часть предыдущего десятилетия посвятил попыткам измерить универсальную гравитационную постоянную. Известная физикам как большая G , эта фундаментальная величина определяет силу гравитационного притяжения во Вселенной.
Число, спрятанное в конверте, стало ключом, который наконец-то расшифровал его экспериментальные данные и раскрыл то, что измерила его команда.
Самое неуловимое число гравитации
Гравитация - одна из самых известных сил в повседневной жизни. Она удерживает людей на Земле, направляет планеты вокруг Солнца, помогает собирать звезды в галактики и играет центральную роль в формировании огромной космической сети скоплений галактик, простирающейся по всей Вселенной.
Однако ученые до сих пор не знают ее фундаментальной силы с той точностью, которой они достигли для других основных сил природы.
Эта сила представлена большой буквой G.
Ученые пытаются измерить гравитационную постоянную ( G) уже более 225 лет, примерно через столетие после того, как Исаак Ньютон сформулировал свой закон всемирного тяготения. Несмотря на поколения все более сложных экспериментов, гравитационная постоянная остается менее точно известной, чем сопоставимые постоянные, связанные с тремя другими фундаментальными силами природы: электромагнетизмом и сильным и слабым ядерными взаимодействиями.
Часть проблемы на удивление проста. Гравитация чрезвычайно слаба.
Для наглядности можно использовать крошечный магнит. Магнит размером примерно с булавочную головку способен поднять скрепку, преодолевая гравитационное притяжение всей Земли. В этом простом состязании электромагнитная сила, создаваемая магнитом, легко преодолевает гравитацию.
В лабораторных условиях задача становится еще сложнее. Ученые не могут перемещать планеты для проведения контролируемых экспериментов, поэтому им приходится измерять гравитационное притяжение между гораздо меньшими объектами, которые можно взвесить и точно расположить.
Массы этих экспериментальных объектов примерно в 500 миллиардов триллионов раз меньше массы Земли. В результате гравитационные силы, которые исследователи пытаются обнаружить, невероятно слабы.
Измерения, которые не согласуются друг с другом
Современные приборы стали чрезвычайно чувствительными, но измерения большой величины G по-прежнему дают несколько различающиеся результаты.
Различия незначительны, примерно одна часть на 10 000. Тем не менее, они все же больше, чем можно было бы ожидать от обычной экспериментальной неопределенности.
Это постоянно сохраняющееся несоответствие породило неудобный вопрос для физиков.
Наиболее вероятное объяснение заключается в том, что был упущен какой-то тонкий экспериментальный эффект. Но есть и гораздо более интригующая возможность: возможно, ученые упускают из виду что-то важное о самой гравитации.
Шламмингер и его коллеги надеялись прояснить проблему, тщательно воспроизведя эксперимент по точной измерению, проведенный Международным бюро мер и весов (BIPM) в Севре, Франция, в 2007 году.
Идея была проста. Если независимая группа исследователей из кампуса NIST в Гайтерсберге, штат Мэриленд, сможет воспроизвести французские измерения, используя по сути тот же подход, это может помочь разрешить разногласия вокруг большой величины G.
Но Шламмингера беспокоил еще один источник ошибок: он сам.
Ученые могут непреднамеренно влиять на интерпретацию или анализ измерений, даже зная, какой результат они ожидают. Шламмингер хотел максимально исключить такую возможность.
Поэтому он попросил своего коллегу Патрика Эббота замаскировать эксперимент, перемешав часть данных.
Эбботт вычел секретное число из тщательно измеренных весов некоторых масс, использованных в эксперименте. Поскольку это число знал только Эбботт, Шламмингер мог анализировать эксперимент, не зная истинного значения большой перегрузки G, которую получала его команда.
Необходимая для получения правильного ответа поправка была запечатана в конверт.
Десять лет работы свелись к одному конверту.
Шламмингер чуть не открыл конверт в 2022 году.
Однако в последний момент он понял, что команда не в полной мере учла тонкий эффект, связанный с давлением воздуха. Поскольку даже мельчайшие возмущения могут иметь значение в таком чувствительном эксперименте, он отложил раскрытие информации и вернулся к анализу.
Два года спустя этот момент наконец настал.
11 июля 2024 года в 15:00 Шламмингер должен был представить результаты на ежегодной конференции по прецизионным электромагнитным измерениям в Авроре, штат Колорадо.
Он был настолько взволнован, что пропустил утренние занятия. Вместо этого он мысленно перебирал в уме множество факторов, которые могли исказить результаты измерений, включая небольшие колебания температуры и давления.
К тому времени он считал, что команда учла все, что было в её силах.
«Я действительно продумал до мелочей все детали эксперимента», - сказал он.
Во время своей дневной презентации Шламмингер наконец раскрыл скрытое число.
Он тут же почувствовал облегчение.
Для того чтобы эксперимент дал ожидаемый результат, секретная поправка Эббота должна была быть относительно большой и отрицательной.
Это было.
Поначалу это казалось хорошей новостью.
Но с течением дня Шламмингер понял, что возникла проблема. Коррекция оказалась слишком большой. После восстановления скрытых данных измерения NIST не совпали с французским результатом.
Небольшая разница, имеющая серьезные последствия.
После еще двух лет детального анализа Шламмингер и его коллеги опубликовали результаты своих измерений в журнале Metrologia .
Значение G , полученное ими , составило 6,67387 × 10⁻¹¹ метров³ / килограмм/ секунду² .
Этот результат на 0,0235% ниже значения, полученного во французском эксперименте.
В обычной жизни такая незначительная разница была бы бессмысленной. Она не окажет заметного влияния на показания напольных весов и не повлияет на количество арахисового масла, необходимое для приготовления 16-унцовой упаковки.
Однако для фундаментальной физики это расхождение является существенным.
Другие фундаментальные константы природы известны с точностью до шести и более значащих цифр. Большая G остается упорно менее точной.
История также дает физикам повод обращать внимание на мельчайшие расхождения. В ряде случаев небольшие несоответствия между измерениями и ожиданиями в конечном итоге указывали на то, что ученые упускали из виду нечто важное о том, как работает природа.
Это не означает, что разногласия по поводу большой величины G указывают на новую физику. Экспериментальная ошибка остается более вероятным объяснением. Но сохраняющаяся неспособность прецизионных экспериментов прийти к одному и тому же значению поддерживает загадку.
Эксперимент с корнями в 1798 году
Методика, используемая группами BIPM и NIST, имеет более чем двухвековую историю.
В своих экспериментах они использовали крутильные весы — прибор, способный обнаруживать чрезвычайно малые силы путем измерения степени скручивания тонкого подвешенного волокна.
Основная идея восходит к знаменитому эксперименту, проведенному английским физиком Генри Кавендишем в 1798 году.
Кавендиш поместил два свинцовых шарика на противоположных концах деревянной балки, подвешенной горизонтально к ее центру на тонкой проволоке. Затем он расположил рядом две гораздо более тяжелые массы.
Более тяжелые массы под действием гравитации притягивали меньшие свинцовые шарики, заставляя подвешенную балку вращаться. По мере вращения балки проволока скручивалась до тех пор, пока ее сопротивление не уравновешивало силу гравитации.
Измеряя мельчайшие перемещения луча с помощью зеркала и световой указки, Кавендиш смог определить гравитационное взаимодействие между массами и получить информацию, соответствующую значению большой гравитационной силы G.
Спустя более чем 200 лет тот же базовый принцип остается актуальным, хотя оборудование значительно усовершенствовалось.
https://huggingface.co/datasets/Oflameron/sci-fi-Synopsis
