Сила тяжести была измерена с рекордной точностью

Два эксперимента по измерению крошечного гравитационного притяжения между объектами в лаборатории показали гравитационную постоянную Ньютона, или большую G (Big G), с неопределенностью всего около 0,00116 процента. До сих пор наименьший предел неопределенности для любого измерения G составлял 0,00137 процента.

Точное значение G, которое применяется к силе тяжести в законе всемирного тяготения Ньютона, ускользало от ученых на протяжении веков. Это потому, что гравитационное притяжение между парой объектов в лаборатории чрезвычайно мало и очень восприимчиво к гравитационному влиянию других близлежащих объектов.

Текущее принятое значение для G, основанное на измерениях за последние 40 лет, составляет 6.67408 × 10^-11 метров в кубе на килограмм в квадратную секунду. Эта цифра была с неопределенностью 0,0047 процента, что делает ее в тысячи раз более неточной, чем другие фундаментальные константы — неизменные универсальные значения, такие как заряд электрона или скорость света. Облако неопределенности, окружающее G, ограничивает, насколько хорошо исследователи могут определить массы небесных объектов и значения других констант, основанных на G.

Физик Шань-Цин Ян из Университета науки и техники Хуачжун в Ухане, Китай, и его коллеги измерили G с помощью двух инструментов, называемых торсионными маятниками. Каждое устройство содержит металлическую пластину с диоксидом кремния, подвешенную тонкой проволокой и окруженную стальными сферами. Гравитационное притяжение между пластиной и сферами заставляет пластину вращаться на проволоке к сферам.

Но два торсионных маятника имели несколько разные настройки для размещения двух способов измерения G. с помощью одного торсионного маятника исследователи измеряли G, контролируя поворот провода, когда пластина наклонялась к сферам. Другой маятник кручения был оборудован так, что металлическая пластина свисала с поворотного стола, который вращался, чтобы предотвратить скручивание провода. С помощью этого торсионного маятника исследователи измерили G, отслеживая вращение поворотного стола.

Чтобы сделать свои измерения как можно более точными, исследователи скорректировали длинный список крошечных возмущений, от небольших изменений плотности материалов, используемых для изготовления торсионных маятников, до сейсмических колебаний от землетрясений по всему миру.

Эти эксперименты с торсионным маятником дали значения G 6.674184 × 10^-11 и 6.674484 × 10^-11 метров в кубе на килограмм в квадратную секунду, оба с неопределенностью около 0.00116 процентов — это рекордная точность.

Q. Li et al. Measurements of the gravitational constant using two independent methods. Nature. Vol. 560, August 30, 2018, p. 582. doi: 10.1038/s41586-018-0431-5.