Wissenschaftler geben verwirrt zu, dass sie das genaue Ausmaß der Gravitationswechselwirkung immer noch nicht kennen

Der Legende nach wurde das erste Experiment, bei dem gezeigt wurde, dass alle Objekte unabhängig von ihrer Masse mit der gleichen Geschwindigkeit fallen, von Galileo Galilei durchgeführt, der auf dem Schiefen Turm von Pisa stand. Zwei beliebige Objekte, die in das Gravitationsfeld geworfen werden, ohne Luftwiderstand (oder dessen Vernachlässigung), werden gleichermaßen beschleunigt. Später wurde diese Regel von Newton kurz niedergeschrieben, nachdem er dieses Thema untersucht hatte.

Zum ersten Mal haben wir begonnen, die Gesetze der Physik zu formulieren, und zwar empirisch: durch Experimente. Werfen Sie den Ball vom Turm, wie es Galileo vielleicht getan hat, und Sie können messen, wie viel er fliegen wird und nach welcher Zeit er fallen wird. Lassen Sie das Pendel los, und Sie können die Beziehung zwischen seiner Länge und der Zeitdauer für einen Zeitraum ermitteln. Nachdem Sie dies mit verschiedenen Abständen, Längen und Zeiträumen getan haben, werden Sie das System bemerken: Die Höhe des Objekts ist proportional zum Quadrat der Zeit, die Periode des Pendels ist proportional zur Quadratwurzel seiner Länge.

Um Proportionen in Gleichungen umzuwandeln, müssen Sie eine Konstante auswählen.


Die Umlaufbahnen der Planeten des inneren Sonnensystems sind nicht perfekt rund, sondern kreisförmig. Merkur und Mars weichen am weitesten vom Ideal ab und demonstrieren die Elliptizität der Umlaufbahnen. Mitte des 19. Jahrhunderts bemerkten die Wissenschaftler die Abweichungen von Merkur von den Vorhersagen der Newtonschen Schwerkraft, die nur die Allgemeine Relativitätstheorie im 20. Jahrhundert erklären konnte. Das gleiche Gravitationsgesetz und die gleiche Konstante beschreiben die Wirkung der Schwerkraft auf alle Skalen, von der Erde bis zum Weltraum.

In diesen und vielen anderen Beispielen ist die Rolle der Proportionalitätskonstante G, die Gravitationskonstante . Der Mond bewegt sich um die Erde, der Planet - um die Sonne herum, Licht wird durch Gravitationslinsen verzerrt, Kometen verlieren Energie und entkommen dem Sonnensystem - und all dies geschieht proportional zu G. Noch vor Newton in den 1640er und 1650er Jahren, den italienischen Wissenschaftlern Francesco Grimaldi und Giovanni Riccioli führte die ersten Berechnungen der Gravitationskonstante durch, was bedeutet, dass sie die erste aller ermittelten Grundkonstanten wurde, noch bevor 1676 die Lichtgeschwindigkeit von Ole Römer bestimmt wurde .


Newtons Gravitationsgesetz wurde durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ersetzt. Es basierte auf sofortiger Fernwirkung und war äußerst unkompliziert. Der Wert der Gravitationskonstante G aus dieser Gleichung ist noch sehr wenig bekannt.

Wenn Sie zwei Massen im Universum nehmen und sie nahe beieinander platzieren, werden sie angezogen. Nach den Newtonschen Gesetzen, die für alle Massen außer extrem großen und für alle kleinen Entfernungen gelten, ist die Gravitationskraft mit beiden Massen verbunden und trennt sie durch die Entfernung und die Gravitationskonstante G. Seit mehreren Jahrhunderten haben wir unsere Messungen vieler grundlegender Konstanten mit unglaublicher Genauigkeit verfeinert. Die Lichtgeschwindigkeit c ist genau bekannt: 299.792.458 m / s. Die Planck-Konstante ħ, die Quantenwechselwirkungen steuert, hat einen Wert von 1,05457180 × 10 ^–34 J * s mit einem Fehler von ± 0,000000013 × 10 ^–34 J * s.

Aber mit G kommt eine ganz andere Sache.


Unabhängig davon, ob wir die Beschreibung der Schwerkraft von Newton oder Einstein verwenden, wird die Größe der Kraft insbesondere durch die Größe der Gravitationskonstante G bestimmt, deren Wert experimentell gemessen werden muss und nicht von anderen abgeleitet werden kann.

In den 1930er Jahren wurden 6,67 × 10 ^–11 N * m ² / kg ² für den G-Wert erhalten, in den 1940er Jahren wurde es auf 6,673 × 10 ^–11 N * m ² / kg ² verfeinert, die beide von Paul Hale hergestellt wurden . Wie zu erwarten war, verbesserten sich die Werte im Laufe der Zeit ständig, und der Fehler sank von 0,1% auf 0,04% und erreichte Ende der neunziger Jahre dank der Arbeit von Barry Taylor von NIST 0,012%.

Wenn Sie sich die alte Kopie des Partikeldatenhefts ansehen, in der die Werte der Grundkonstanten angegeben sind, finden Sie den G- Wert von 6,67259 × 10 ^–11 N * m ² / kg ² mit einem Fehler von nur 0,00085 × 10 ^{- 11} N * m ² / kg ² .


Die Werte der Grundkonstanten für 1998

Und dann passierte etwas Lustiges.

Später in diesem Jahr ergaben die Experimente einen Wert, der für den angegebenen Wert zu hoch war: 6,674 × 10 ^–11 N * m ² / kg ² . Verschiedene Teams, die unterschiedliche Methoden verwendeten, erhielten G-Werte, die nicht um 0,15% miteinander übereinstimmten, was mehr als dem Zehnfachen des zuvor gemeldeten Fehlers entspricht.

Wie ist das passiert?


Das erste Experiment zur exakten Messung von G, das von Henry Cavendish entwickelt und veröffentlicht wurde, basiert auf dem Prinzip der Torsionsgewichte , die sich in Abhängigkeit von der Anziehungskraft einer nahe gelegenen Masse einer bekannten Größe drehen.

Die erste genaue Messung der Gravitationskonstante, unabhängig von anderen Unbekannten (zum Beispiel der Masse der Sonne oder der Masse der Erde), fand erst im Experiment von Henry Cavendish am Ende des 18. Jahrhunderts statt. Cavendish entwickelte ein Experiment, das als Torsionswaage bekannt ist und bei dem eine kleine Hantel an einem Draht aufgehängt und perfekt ausbalanciert war. In der Nähe jeder der Massen am Ende der Hantel befanden sich zwei größere Massen, die durch Gravitation kleine Massen anzogen. Der Wert der Rotation der Hantel bei bekannten Abständen und Massen gab uns die Möglichkeit, G experimentell zu messen.


Trotz vieler Durchbrüche in der Physik in den letzten mehr als 200 Jahren wird das gleiche Prinzip, das im Cavendish-Experiment verwendet wurde, in G-Messungsexperimenten verwendet. Bis heute hat keine andere Messtechnik oder Experimentiervorrichtung bessere Ergebnisse erzielt.

Es besteht der Verdacht, dass einer der Gründe für die Diskrepanzen der bekannte psychologische Faktor der Bestätigungsverzerrung ist . Wenn alle Ihre Kollegen ein Ergebnis der Form 6,67259 × 10 ^–11 N * m ² / kg ^{2 erhalten} , ist zu erwarten, dass Sie auch ein Ergebnis vom Typ 6,67224 × 10 ^–11 N * m ² / kg ² oder 6,67293 erhalten × 10 ^–11 N * m ² / kg ² ; Wenn Sie jedoch etwas wie 6,67532 × 10 ^-11 N * m ² / kg ^{2 erhalten} , werden Sie entscheiden, dass Sie etwas falsch gemacht haben.

Sie werden nach Fehlerquellen suchen, bis Sie sie finden. Sie werden das Experiment immer wieder wiederholen, bis Sie etwas Vernünftiges erhalten: etwas, das dem Wert von 6,67259 × 10 ^–11 N * m ² / kg ² nicht widerspricht.


1997 führten das Team von Bagley und Luther ein Experiment mit Torsionsskalen durch, das ein Ergebnis von 6,674 × 10 ^–11 N * m ² / kg ² ergab, das ernst genug genommen wurde, um den vorherigen Messfehler G in Frage zu stellen

Ein solcher Schock war daher das Ereignis von 1998, als ein sehr sorgfältig arbeitendes Team ein Ergebnis erhielt, das sich um unglaubliche 0,15% von den vorherigen unterschied, während die deklarierten Fehler der vorherigen Messungen zehnmal geringer waren. Als Antwort lehnte NIST die vorherigen Fehler ab, und die resultierenden Werte wurden auf vier signifikante Stellen reduziert, und der Fehler wurde erhöht.

Torsionsskalen und Torsionspendel, die unter dem Einfluss des ursprünglichen Cavendish-Experiments hergestellt wurden, führen weiterhin zu G-Messungen vor moderneren Atominterferometrietechnologien. Erst im August dieses Jahres gab das chinesische Team den Erhalt des genauesten G-Werts aus zwei unabhängigen Messungen bekannt: 6,674184 × 10 ^–11 N * m ² / kg ² und 6,674484 × 10 ^–11 N * m ² / kg ² mit Fehlern in 0,0011%.


Zwei experimentelle Einrichtungen, deren Schemata im August 2018 in Nature 2018 veröffentlicht wurden, ergaben die genauesten (laut Wissenschaftlern) Werte für G.

Diese Werte stimmen innerhalb von zwei Standardabweichungen überein, stimmen jedoch nicht mit anderen Messungen überein, die von anderen Teams in den letzten 15 Jahren durchgeführt wurden und zwischen 6,6757 × 10 ^–11 N * m ² / kg ² und 6,6719 × 10 ^- variieren. ¹¹ N * m ² / kg ² . Während andere Grundkonstanten mit einer Genauigkeit von 8 bis 14 signifikanten Stellen bekannt sind, sind die Fehler bei der Messung von G tausend- oder milliardenfach größer.


Der atomare Übergang vom 6S-Orbital Delta_f1 bestimmt den Meter, die Sekunde und die Lichtgeschwindigkeit. Die Genauigkeit der Bestimmung von Quantenkonstanten ist tausendfach höher als die Genauigkeit der Messung von G, der ersten der gemessenen Konstanten.

Die Gravitationskonstante des Universums G war die erste der gemessenen. 350 Jahre nach der ersten Messung ist es jedoch beschämend festzustellen, wie schlecht es im Vergleich zu allen anderen bekannt ist. Wir verwenden diese Konstante in einer Vielzahl von Messungen und Berechnungen, von Gravitationswellen bis zu Pulsaren, um die Ausdehnung des Universums zu messen. Unsere Fähigkeit, dies zu bestimmen, basiert jedoch auf kleinen Experimenten, die auf der Erde durchgeführt wurden. Winzige Unsicherheitsquellen, von der Materialdichte bis zu seismischen Schwingungen, durchdringen unsere Versuche, sie zu messen. Und bis wir mehr erreichen können, wo immer die Schwerkraft wichtig ist, wird es einen internen, unangenehm großen Fehler geben. Es ist 2018 und wir wissen immer noch nicht, wie groß die Schwerkraft wirklich ist.

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