Les scientifiques admettent confusément qu'ils ne connaissent toujours pas l'ampleur exacte de l'interaction gravitationnelle

Selon la légende, la première expérience, qui a montré que tous les objets tombent à la même vitesse, quelle que soit la masse, a été réalisée par Galileo Galilei, debout au sommet de la tour penchée de Pise. Deux objets projetés dans le champ gravitationnel, en l'absence de résistance à l'air (ou en la négligeant), accéléreront également. Plus tard, cette règle a été brièvement écrite par Newton après avoir étudié cette question.

Pour la première fois que nous avons commencé à formuler les lois de la physique, nous l'avons fait empiriquement: à travers des expériences. Lancez la balle depuis la tour, comme Galileo aurait pu le faire, et vous pouvez mesurer combien elle volera et après quelle heure elle tombera. Relâchez le pendule, et vous pouvez trouver la relation entre sa longueur et la durée d'une période. Après avoir fait cela avec différentes distances, longueurs et périodes de temps, vous commencerez à remarquer le système: la hauteur de l'objet est proportionnelle au carré de temps, la période du pendule est proportionnelle à la racine carrée de sa longueur.

Mais pour transformer des proportions en équations, vous devez choisir une constante.


Les orbites des planètes du système solaire interne ne sont pas parfaitement rondes, mais proches des cercles. Mercure et Mars s'écartent le plus de l'idéal, démontrant l'ellipticité des orbites. Au milieu du XIXe siècle, les scientifiques ont commencé à remarquer les écarts de Mercure par rapport aux prédictions de la gravité newtonienne, que seule la relativité générale au XXe siècle pouvait expliquer. La même loi de la gravité et la même constante décrivent l'effet de la gravité à toutes les échelles, de la Terre à l'espace.

Dans ces exemples, et dans bien d'autres, le rôle de la constante de proportionnalité est G, la constante gravitationnelle . La lune se déplace autour de la Terre, de la planète - autour du Soleil, la lumière est déformée par les lentilles gravitationnelles, les comètes perdent de l'énergie, s'échappant du système solaire - et tout cela se produit proportionnellement à G.Même avant Newton, dans les années 1640 et 1650, les scientifiques italiens Francesco Grimaldi et Giovanni Ricciolioli a effectué les premiers calculs de la constante gravitationnelle, ce qui signifie qu'elle est devenue la première de toutes les constantes fondamentales déterminées, même avant la détermination de la vitesse de la lumière en 1676, faite par Ole Römer .


La loi de gravité de Newton a été remplacée par la théorie générale de la relativité d'Einstein. Il était basé sur une action instantanée à longue portée et était extrêmement simple. La valeur de la constante gravitationnelle G de cette équation est encore très mal connue.

Si vous prenez deux masses dans l'Univers et les placez près l'une de l'autre, elles seront attirées. Selon les lois de Newton, applicables à toutes les masses sauf extrêmement grandes, et pour toutes les petites distances, la force gravitationnelle est associée aux deux masses, les séparant par la distance et la constante gravitationnelle G. Pendant plusieurs siècles, nous avons affiné nos mesures de nombreuses constantes fondamentales avec une précision incroyable. La vitesse de la lumière c est connue exactement: 299 792 458 m / s. La constante de Planck controls qui contrôle les interactions quantiques a une valeur de 1,05457180 × 10 ^-34 J * s, avec une erreur de ± 0,000000013 × 10 ^-34 J * s.

Mais avec G vient une toute autre affaire.


Que nous utilisions la description de la gravité de Newton ou d'Einstein, l'amplitude de la force est déterminée, en particulier, par l'amplitude de la constante gravitationnelle G, dont la valeur doit être mesurée expérimentalement et ne peut être déduite des autres.

Dans les années 1930, pour la valeur G, 6,67 × 10 ^-11 N * m ² / kg ^{2 ont} été obtenus, dans les années 1940, elle a été affinée à 6,673 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , et les deux mesures ont été effectuées par Paul Hale . Comme on pouvait s'y attendre, au fil du temps, les valeurs se sont constamment améliorées, et l'erreur est passée de 0,1% à 0,04%, et a atteint 0,012% à la fin des années 1990 grâce au travail de Barry Taylor du NIST.

Si vous regardez l' ancienne copie du livret de données sur les particules, dans laquelle les valeurs des constantes fondamentales ont été données, vous pouvez trouver la valeur G de 6,67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , avec une erreur de seulement 0,00085 × 10 ^{- 11} N * m ² / kg ² .


Les valeurs des constantes fondamentales pour 1998

Et puis quelque chose de drôle s'est produit.

Plus tard dans l'année, les expériences ont révélé une valeur trop élevée pour la valeur indiquée: 6,674 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² . Différentes équipes utilisant différentes méthodes ont reçu des valeurs G qui ne coïncidaient pas de 0,15%, ce qui est plus de dix fois l'erreur signalée précédemment.

Comment est-ce arrivé?


L'expérience initiale sur la mesure exacte de G, développée et publiée par Henry Cavendish , est basée sur le principe des poids de torsion , tournant en fonction de l'attraction gravitationnelle d'une masse proche d'une quantité bien connue.

La première mesure précise de la constante gravitationnelle, indépendante des autres inconnues (par exemple, la masse du Soleil ou la masse de la Terre) n'a eu lieu que dans l'expérience d'Henry Cavendish à la fin du XVIIIe siècle. Cavendish a développé une expérience connue sous le nom d'équilibre de torsion dans laquelle un petit haltère était suspendu et parfaitement équilibré sur un fil. Près de chacune des masses à la fin de l'haltère se trouvaient deux masses plus grandes, attirant gravitationnellement de petites masses. La valeur de la rotation de l'haltère à des distances et des masses connues nous a donné l'occasion de mesurer G expérimentalement.


Malgré de nombreuses percées en physique au cours des 200 dernières années et plus, le même principe utilisé dans l'expérience Cavendish est utilisé dans les expériences de mesure G. Jusqu'à aujourd'hui, aucune autre technique de mesure ou dispositif d'expérience n'a donné de meilleurs résultats.

On soupçonne que l'une des raisons des écarts est le facteur psychologique bien connu du biais de confirmation . Si tous vos collègues obtiennent un résultat de la forme 6,67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , il est raisonnable de s'attendre à ce que vous receviez également un résultat du type 6,67224 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , ou 6,67293 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² ; mais si vous obtenez quelque chose comme 6,67532 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , vous déciderez que vous avez fait quelque chose de mal.

Vous rechercherez des sources d'erreur jusqu'à ce que vous les trouviez. Vous répéterez l'expérience encore et encore jusqu'à ce que vous obteniez quelque chose de raisonnable: quelque chose qui ne contredit pas la valeur de 6,67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² .


En 1997, l'équipe Bagley et Luther a mené une expérience avec une balance de torsion qui a donné un résultat de 6,674 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , qui a été pris suffisamment au sérieux pour jeter le doute sur l'erreur de mesure précédente G

Par conséquent, un tel choc a été l'événement de 1998, lorsqu'une équipe très minutieuse a reçu un résultat différant de 0,15% par rapport aux précédents, tandis que les erreurs déclarées des mesures précédentes étaient dix fois inférieures. En réponse, le NIST a rejeté les erreurs précédentes et les valeurs résultantes ont été réduites à quatre chiffres significatifs et l'erreur a été augmentée.

Les échelles de torsion et les pendules de torsion, fabriqués sous l'influence de l'expérience Cavendish originale, continuent de dominer les mesures G, devant les technologies d'interférométrie atomique plus modernes. Seulement en août, l'équipe chinoise a annoncé la réception de la valeur G la plus précise de deux mesures indépendantes: 6,674184 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² et 6,674484 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² avec des erreurs dans 0,0011%.


Deux installations expérimentales, dont les schémas ont été publiés dans Nature 2018 en août 2018, ont donné les valeurs les plus précises (selon les scientifiques) de G

Ces valeurs sont cohérentes entre elles dans les deux écarts-types, mais ne sont pas cohérentes avec d'autres mesures prises par d'autres équipes au cours des 15 dernières années, variant de 6,6757 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² à 6,6719 × 10 ^{- 11} N * m ² / kg ² . Alors que d'autres constantes fondamentales sont connues avec une précision de 8 à 14 chiffres significatifs, lors de la mesure de G, les erreurs sont des milliers ou des milliards de fois plus importantes.


La transition atomique de l'orbitale 6S, Delta_f1, détermine le mètre, la seconde et la vitesse de la lumière. La précision de la détermination des constantes quantiques est des milliers de fois supérieure à la précision de la mesure de G, la première des constantes mesurées.

La constante gravitationnelle de l'Univers, G, a été la première des mesures. Cependant, 350 ans après la première mesure, il est honteux de dire à quel point elle est mal connue par rapport à toutes les autres. Nous utilisons cette constante dans un grand nombre de mesures et de calculs, des ondes gravitationnelles aux pulsars, en mesurant l'expansion de l'Univers. Néanmoins, notre capacité à le déterminer est basée sur des expériences à petite échelle menées sur Terre. De minuscules sources d'incertitude, de la densité des matériaux aux vibrations sismiques, pénètrent nos tentatives de mesure. Et tant que nous ne pourrons pas en faire plus, là où la gravité est importante, il y aura une erreur interne, désagréablement importante. Nous sommes en 2018, et nous ne savons toujours pas à quel point la gravité est vraiment grande.

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