Para ilmuwan dengan bingung mengakui bahwa mereka masih belum tahu persis besarnya interaksi gravitasi

Menurut legenda, percobaan pertama, yang menunjukkan bahwa semua benda jatuh dengan kecepatan yang sama, terlepas dari massa, dilakukan oleh Galileo Galilei, berdiri di atas Menara Miring Pisa. Dua benda yang terlempar ke bawah di medan gravitasi, tanpa adanya hambatan udara (atau mengabaikannya) akan berakselerasi secara merata. Kemudian, aturan ini ditulis secara singkat oleh Newton setelah dia mempelajari masalah ini.

Untuk pertama kalinya kami mulai merumuskan hukum fisika, kami melakukannya secara empiris: melalui eksperimen. Lempar bola dari menara, seperti yang mungkin dilakukan Galileo, dan Anda dapat mengukur seberapa banyak ia akan terbang dan setelah berapa lama bola itu akan jatuh. Lepaskan pendulum, dan Anda dapat menemukan hubungan antara panjangnya dan jumlah waktu untuk satu periode. Setelah melakukan ini dengan berbagai jarak, panjang dan periode waktu, Anda akan mulai memperhatikan sistem: ketinggian objek sebanding dengan kuadrat waktu, periode pendulum sebanding dengan akar kuadrat dari panjangnya.

Tetapi untuk mengubah proporsi menjadi persamaan, Anda harus memilih satu konstanta.


Orbit planet-planet tata surya bagian dalam tidak bulat sempurna, tetapi dekat dengan lingkaran. Merkurius dan Mars paling jauh menyimpang dari yang ideal, menunjukkan eliptisitas orbitnya. Di pertengahan abad XIX, para ilmuwan mulai memperhatikan penyimpangan Merkurius dari prediksi gravitasi Newton, yang hanya bisa dijelaskan oleh Relativitas Umum pada abad XX. Hukum gravitasi yang sama, dan konstanta yang sama, menggambarkan efek gravitasi pada semua skala, dari Bumi ke angkasa.

Dalam contoh-contoh ini, dan dalam banyak lainnya, peran konstanta proporsionalitas adalah G, konstanta gravitasi . Bulan bergerak di sekitar Bumi, planet - di sekitar Matahari, cahaya terdistorsi oleh lensa gravitasi, komet kehilangan energi, melarikan diri dari tata surya - dan semua ini terjadi sebanding dengan G. Bahkan sebelum Newton, pada tahun 1640-an dan 1650-an, ilmuwan Italia Francesco Grimaldi dan Giovanni Riccioli melakukan perhitungan pertama dari konstanta gravitasi, yang berarti ia menjadi yang pertama dari semua konstanta fundamental yang ditentukan, bahkan di depan penentuan kecepatan cahaya pada tahun 1676, yang dibuat oleh Ole Römer .


Hukum gravitasi Newton telah digantikan oleh Teori Relativitas Umum Einstein. Itu didasarkan pada aksi jarak jauh instan dan sangat mudah. Nilai konstanta gravitasi G dari persamaan ini masih sangat kurang diketahui.

Jika Anda mengambil dua massa di Semesta dan menempatkannya berdekatan, mereka akan tertarik. Menurut hukum Newton, berlaku untuk semua massa kecuali sangat besar, dan untuk semua jarak kecil, gaya gravitasi dikaitkan dengan kedua massa, memisahkan mereka dengan jarak dan konstanta gravitasi G. Selama beberapa abad kami telah menyempurnakan pengukuran kami dari banyak konstanta fundamental hingga akurasi luar biasa. Kecepatan cahaya c diketahui persis: 299.792.458 m / s. Konstanta Planck ħ yang mengontrol interaksi kuantum memiliki nilai 1,05457180 × 10 ^-34 J * s, dengan kesalahan ± 0,000000013 × 10 ^-34 J * s.

Tetapi dengan G muncul masalah yang sama sekali berbeda.


Apakah kita menggunakan deskripsi gravitasi dari Newton atau Einstein, besarnya gaya ditentukan, khususnya, oleh besarnya konstanta gravitasi G, yang nilainya harus diukur secara eksperimental, dan tidak dapat disimpulkan dari yang lain.

Pada 1930-an, untuk nilai G, 6,67 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² diperoleh, pada 1940-an itu disempurnakan menjadi 6,673 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , dan kedua pengukuran dilakukan oleh Paul Hale . Seperti yang mungkin Anda harapkan, dari waktu ke waktu, nilainya terus meningkat, dan kesalahannya turun dari 0,1% menjadi 0,04%, dan mencapai 0,012% di akhir 1990-an berkat karya Barry Taylor dari NIST.

Jika Anda melihat salinan lama buklet data partikel, di mana nilai konstanta fundamental diberikan, maka Anda dapat menemukan nilai G dari 6,67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , dengan kesalahan hanya 0,00085 × 10 ^{- 11} N * m ² / kg ² .


Nilai-nilai konstanta fundamental untuk tahun 1998

Dan kemudian sesuatu yang lucu terjadi.

Belakangan tahun itu, percobaan mengungkapkan nilai yang terlalu tinggi untuk nilai yang ditunjukkan: 6.674 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² . Tim yang berbeda menggunakan metode yang berbeda menerima nilai G yang tidak bertepatan dengan 0,15%, yang lebih dari sepuluh kali kesalahan dilaporkan sebelumnya.

Bagaimana ini bisa terjadi?


Eksperimen awal pada pengukuran tepat G, dikembangkan dan diterbitkan oleh Henry Cavendish , didasarkan pada prinsip bobot puntir , tergantung pada gaya tarik gravitasi dari massa terdekat dengan besaran terkenal.

Pengukuran akurat pertama dari konstanta gravitasi, tidak tergantung pada hal-hal lain yang tidak diketahui (misalnya, massa Matahari atau massa Bumi) terjadi hanya dalam eksperimen Henry Cavendish pada akhir abad XVIII. Cavendish mengembangkan percobaan yang dikenal sebagai keseimbangan torsi di mana halter kecil ditangguhkan dan seimbang sempurna pada kawat. Di dekat masing-masing massa di ujung halter ada dua massa yang lebih besar, yang secara gravitasi menarik massa kecil. Nilai rotasi halter pada jarak dan massa yang diketahui memberi kami kesempatan untuk mengukur G secara eksperimental.


Meskipun banyak terobosan dalam fisika selama 200+ tahun terakhir, prinsip yang sama yang digunakan dalam percobaan Cavendish digunakan dalam percobaan pengukuran G. Hingga saat ini, tidak ada teknik pengukuran atau perangkat eksperimen lain yang memberikan hasil yang lebih baik.

Ada kecurigaan bahwa salah satu alasan untuk perbedaan ini adalah faktor psikologis bias konfirmasi yang terkenal . Jika semua kolega Anda mendapatkan hasil dari formulir 6.67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , masuk akal untuk mengharapkan bahwa Anda juga akan menerima hasil dari tipe 6.67224 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , atau 6.67293 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² ; tetapi jika Anda mendapatkan sesuatu seperti 6,67532 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , Anda akan memutuskan bahwa Anda melakukan sesuatu yang salah.

Anda akan mencari sumber kesalahan sampai Anda menemukannya. Anda akan mengulangi percobaan berulang kali hingga Anda mendapatkan sesuatu yang masuk akal: sesuatu yang tidak bertentangan dengan nilai 6,67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² .


Pada tahun 1997, tim Bagley dan Luther melakukan percobaan dengan keseimbangan torsi yang menghasilkan hasil 6,674 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , yang dianggap cukup serius untuk menimbulkan keraguan pada kesalahan pengukuran sebelumnya G

Oleh karena itu, kejutan seperti itu adalah peristiwa tahun 1998, ketika tim yang bekerja sangat hati-hati menerima hasil yang berbeda dengan 0,15% luar biasa dari yang sebelumnya, sedangkan kesalahan yang dinyatakan dari pengukuran sebelumnya sepuluh kali lebih sedikit dari ini. NIST dalam respons menolak kesalahan sebelumnya, dan nilai yang dihasilkan dikurangi menjadi empat digit signifikan, dan kesalahan itu meningkat.

Skala torsi dan pendulum torsi, dibuat di bawah pengaruh percobaan Cavendish asli, terus memimpin dalam pengukuran G, di depan teknologi interferometri atom yang lebih modern. Hanya Agustus ini, tim Cina mengumumkan penerimaan nilai G paling akurat dari dua pengukuran independen: 6.674184 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² dan 6.674484 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² dengan kesalahan dalam 0,0011%.


Dua fasilitas eksperimental, skema yang diterbitkan di Nature 2018 pada Agustus 2018, memberikan nilai paling akurat (menurut para ilmuwan) untuk G

Nilai-nilai ini konsisten satu sama lain dalam dua standar deviasi, tetapi tidak konsisten dengan pengukuran lain yang dilakukan oleh tim lain selama 15 tahun terakhir, bervariasi dari 6,6757 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² hingga 6.6719 × 10 ^{- 11} N * m ² / kg ² . Sementara konstanta fundamental lainnya dikenal dengan akurasi 8 hingga 14 digit signifikan, ketika mengukur G, kesalahannya ribuan atau miliaran kali lebih besar.


Transisi atom dari orbital 6S, Delta_f1, menentukan meter, kedua, dan kecepatan cahaya. Keakuratan menentukan konstanta kuantum ribuan kali lebih besar daripada akurasi pengukuran G, yang pertama dari konstanta yang diukur.

Konstanta gravitasi Alam Semesta, G, adalah yang pertama dari yang diukur. Namun, 350 tahun setelah pengukuran pertama, sangat memalukan untuk menyatakan seberapa buruk itu diketahui dibandingkan dengan yang lainnya. Kami menggunakan konstanta ini dalam sejumlah besar pengukuran dan perhitungan, mulai dari gelombang gravitasi hingga pulsar, yang mengukur ekspansi Semesta. Namun demikian, kemampuan kita untuk menentukannya didasarkan pada eksperimen skala kecil yang dilakukan di Bumi. Sumber kecil ketidakpastian, dari kepadatan material hingga getaran seismik, menembus upaya kami untuk mengukurnya. Dan sampai kita dapat mencapai lebih, di mana gravitasi itu penting, akan ada kesalahan internal yang besar dan tidak menyenangkan. Ini tahun 2018, dan kita masih tidak tahu seberapa besar gravitasi sebenarnya.

Anda dapat menemukan lebih banyak artikel tentang topik sains populer di situs web Golovanov.net . Baca: apakah lempeng tektonik diperlukan untuk pembentukan kehidupan di planet ini; dari mana energi dark energy berasal? apakah aktivitas manusia akan mengarah ke peperangan antarbintang; Apakah ada jumlah alkohol yang sehat? Seri Ask Ethan artikel kosmologi.

Jangan ragu untuk mendukung proyek secara finansial (kartu bank, Yandex.Money, WebMoney, Bitcoin, tetapi apa pun). Terima kasih kepada semua orang yang telah memberikan dukungan!