Nowy pomiar stałej grawitacyjnej pogłębia jeden z najstarszych problemów fizyki. Wynik znów nie zgadza się z wcześniejszymi eksperymentami.
Najnowszy pomiar jednej z absolutnie fundamentalnych liczb w fizyce wprawdzie nie wywraca jeszcze podręczników do góry nogami, ale bezlitośnie obnaża bardzo niewygodną prawdę. Okazuje się bowiem, iż stała grawitacyjna, czyli wartość, która dyktuje zasady przyciągania się wszystkich mas we Wszechświecie, uparcie wymyka się badaczom z rąk. Mimo ponad 225 lat zmagań laboratoryjnych naukowcy wciąż nie potrafią zamknąć tej siły w jednej, ostatecznej i bezdyskusyjnej liczbie.
Dlaczego ta jedna liczba potrafi zachwiać spokojem fizyków?
Chodzi o uniwersalną stałą grawitacyjną. To ona pojawia się w prawie Newtona i pozwala obliczyć, jak silnie przyciągają się dwa obiekty, niezależnie od tego, czy mowa o planetach, gwiazdach, czy metalowych walcach ustawionych w laboratorium. Problem w tym, iż właśnie ta stała jest dziś najsłabiej poznaną spośród podstawowych stałych i oddziaływań fizycznych, choć odpowiada za zjawisko, które porządkuje ruch ciał w całym Wszechświecie.
Choć grawitacja żelazną ręką trzyma w ryzach całe galaktyki, w skali laboratoryjnej okazuje się siłą wręcz niewyobrażalnie słabą. Zmusza to naukowców do łowienia efektów tak mikroskopijnych, iż choćby najdrobniejsze wahania otoczenia, kaprysy aparatury pomiarowej czy subtelne detale kalibracji potrafią bezlitośnie zafałszować ostateczny odczyt. To właśnie dlatego wyniki superprecyzyjnych eksperymentów z ostatnich dekad nie da się łatwo ułożyć. Zamiast ostatecznej odpowiedzi dostajemy irytujący rozstrzał danych – znacznie większy, niż dopuszcza to współczesna fizyka.
10 lat pracy i wynik, który znów nie chciał się podporządkować
Zespół z amerykańskiego NIST postanowił odtworzyć bardzo dokładny eksperyment przeprowadzony wcześniej we Francji przez BIPM, czyli Międzynarodowe Biuro Miar. jeżeli dwa niemal identyczne eksperymenty wykonane w różnych miejscach dadzą ten sam rezultat, zagadka zacznie się zamykać. jeżeli nie, problem zrobi się jeszcze bardziej kłopotliwy.
Część danych kalibracyjnych została ukryta przed głównym eksperymentatorem, aby ten nie mógł nieświadomie dopasować analizy do pożądanego wyniku. Wcześniej, jeszcze w 2022 r., zespół wstrzymał finałowe odsłonięcie wyniku, gdy zauważył, iż pozornie drugorzędny czynnik związany z ciśnieniem powietrza może zaburzać pomiar. Dopiero po kolejnych poprawkach i dodatkowych analizach wynik uznano za gotowy do publikacji.
Nowa wartość G znów nie pasuje do starego punktu odniesienia
Ostatecznie zespół otrzymał wartość stałej grawitacji równą 6,67387 × 10^-11 m3 kg^-1 s^-2. To wynik o 0,0235 proc. niższy od wcześniejszego rezultatu francuskiego eksperymentu, który miał być tutaj punktem odniesienia. W codziennym życiu taka różnica niczego nie wywraca: nie zmieni wskazań łazienkowej wagi ani trajektorii planet. W świecie precyzyjnych pomiarów to jednak różnica na tyle duża, iż nie da się jej zbyć wzruszeniem ramion.
Co ważne, nowy rezultat jest bliższy wartości rekomendowanej w oficjalnych zestawieniach stałych fizycznych niż dawny wynik z Francji, ale wciąż nie rozwiązuje problemu, bo zamiast pełnej zgody dostajemy kolejne potwierdzenie, iż pomiar G pozostaje wyjątkowo oporny. Fizycy nie odkryli więc jeszcze, iż grawitacja działa inaczej, niż sądzimy, ale dostali następny dowód, iż w tej części fundamentów nauki przez cały czas coś nie daje się domknąć.
Jak zmierzyć coś, co niemal nie chce się ujawnić?
Aby złapać grawitację na gorącym uczynku, fizycy sięgnęli po absolutną klasykę – słynną wagę skręceń. W wielkim uproszczeniu cała zabawa polega na śledzeniu, jak mikroskopijnie cienka nić zawieszenia skręca się pod wpływem przyciągania między precyzyjnie rozmieszczonymi wokół niej ciężarami. Ten z pozoru staroświecki mechanizm do dziś pozostaje bezkonkurencyjny, jeżeli chodzi o wyłapywanie najbardziej ulotnych i subtelnych sił, jakie w ogóle potrafimy zarejestrować w sterylnym środowisku laboratorium.
W nowoczesnej wersji eksperymentu nie poprzestano jednak na samym obserwowaniu ruchu. Badacze równoważyli moment siły wywołany grawitacją dzięki dokładnie dobranego napięcia elektrycznego. Dzięki temu mogli porównać dwa sposoby dojścia do tej samej liczby. Zespół sprawdził też, czy materiał mas ma znaczenie, powtarzając doświadczenie z elementami z miedzi i szafiru. Wyniki były praktycznie identyczne, więc przynajmniej ten trop można było odłożyć na bok.
Grawitacja wciąż kpi z fizyków
W tym wszystkim absolutnie najważniejsze jest to, czego ów wynik nie oznacza. Nie dostaliśmy do rąk żelaznego dowodu na to, iż wizja świata Newtona ostatecznie się rozsypała, a akademickie podręczniki nadają się już tylko na makulaturę. Najbardziej prawdopodobne rozwiązanie tej zagadki pozostaje wręcz przyziemne: gdzieś w cieniu tych superprecyzyjnych eksperymentów wciąż czają się upiornie trudne do namierzenia błędy systematyczne. To ukryte mikrozakłócenia, które po cichu fałszują odczyty, drwiąc sobie z badaczy.
Z drugiej jednak strony pod żadnym pozorem nie wolno nam tego zbagatelizować. Skoro od dekad najtęższe naukowe umysły, uzbrojone w coraz doskonalszy sprzęt i absurdalnie rygorystyczne procedury, wciąż nie potrafią przycisnąć tej jednej, upartej stałej do ściany, to znak, iż problem jest. Być może ostatecznie wszystko sprowadza się wyłącznie do metrologii, ale być może w grę wchodzi tu coś znacznie głębszego. Zjawisko, którego na razie w ogóle nie potrafimy nazwać.
