Према легенди, први експеримент који је показао да су сви предмети падали једнаком брзином, без обзира на масу, извео је Галилео Галилеи на леђима у Писи. Сва два предмета која се спусте у гравитационом пољу, у недостатку (или занемарујућег) ваздушног отпора, убрзаће се до земље истом брзином. Касније је то кодифицирано као дио Невтонових истрага о том питању. (Гетти Имагес)

Научници признају, срамотно, да не знамо колико је снажна сила гравитације

Свака физичка теорија има константе у себи. Гравитациона константа је изузетно несигурна.

Када смо први пут започели формулисање физичких закона, то смо урадили емпиријски: експериментима. Баци лопту с торња, као што је то могао учинити Галилео, и можеш мерити колико далеко пада и колико треба да падне на земљу. Отпустите клатно и можете пронаћи однос између дужине клатна и времена потребног за осцилирање. Ако то учините за више растојања, дужина и времена, видећете да настаје однос: удаљеност падајућег објекта пропорционална је времену квадратном; период клатна сразмеран је квадратном корену дужине клатна.

Али да бисте те пропорционалности претворили у знак једнакости, потребно је да то постигнете исправно.

Орбите планета у унутрашњем Сунчевом систему нису баш кружне, али су прилично близу, с тим да су Меркур и Марс највећи одласци и највеће елиптичности. Средином 19. века научници су почели да примећују одступања у покрету Меркура од предвиђања невтонске гравитације, што је незнатан одлазак објаснио тек Општа релативност у 20. веку. Исти гравитациони закон и константан описује гравитационе ефекте на свим нивоима, од Земље до космоса. (НАСА / ЈПЛ)

У овим је примерима, као и у многим другима, та константна пропорционалност повезана са Г, гравитационом константом. Месец кружи око Земље, планете круже око Сунца, светлост се савија због гравитационог сочивања, а комете губе енергију док беже из Сунчевог система све у сразмери са Г. Чак и пре него што је Невтон дошао заједно, током 1640-их и 1650-их, италијански научници Францесцо Грималди и Гиованни Рицциоли направили су прве прорачуне гравитационе константе, што значи да је то била прва фундаментална константа икад утврђена: чак и пре него што је Оле Рøмер одредио брзину светлости 1676. године.

Њутнов закон универзалне гравитације замијенио је Аинстеинова опћа релативност, али се ослањао на концепт тренутне акције (силе) на даљину и невјероватно је једноставан. Гравитациона константа у овој једначини, Г, је још увек релативно слабо позната. (ВИКИМЕДИА ЗАЈЕДНИЦИ КОРИСНИКА ДЕННИСА НИЛССОНА)

Када узмете било које две масе у Универзуму и ставите их у близину једне друге, оне привлаче. Према Невтоновим законима, која важи у свим условима екстремне масе (за велике масе) и растојања (за мале растојања), сила привлачења повезана је са две масе, раздвајањем између њих и Г, гравитациона константа. Током векова, ми смо усавршили наша мерења великог броја основних константа до огромне прецизности. Брзина светлости, ц, тачно је позната: 299,792,458 м / с. Планцкова константа ħ која управља квантним интеракцијама има вредност 1,05457180 × 10 ^ -34 Ј⋅с, са несигурношћу ± 0,000000013 × 10 ^ -34 Ј⋅с.

Али Г? То је сасвим друга прича.

Било да се користи Невтонова или Еинстеинова формулација гравитације, јачина силе се дијелом одређује вриједношћу гравитационе константе Г, чија се вриједност мора емпиријски мјерити и не може се извести из било које друге количине. (ЕСО / Л. КАЛАДА)

Тридесетих година КСКС века мерено је 6,67 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м², касније је рафинирано 1940-их на 6673 × 10 ^ -11 Н / кг²м², обоје научник Паул Хеил. Као што сте могли очекивати, вредности су постале све боље и боље током времена, а несигурности су пале са 0,1% на 0,04% све до само 0,012% у касним 1990-има, највише због рада Баррија Таилора у НИСТ-у.

У ствари, ако извучете стару копију књижице Групе података о честицама, где дају основне константе, тамо можете пронаћи вредност за Г која изгледа добро: 6.67259 × 10 ^ -11 Н / кг²²м², са неизвесност од само 0,00085 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м².

Вриједности основних константи, као што су биле познате 1998. године, и објављене у брошури Групе података честица 1998. године. (ПДГ, 1998., ОСНОВНО НА ЕР ЦОХЕН И БН ТАИЛОРУ, РЕВ. МОД. ПХИС. 59, 1121 (1987))

Али онда се десило нешто смешно.

Касније те године, експерименти који су изведени показали су вредност која је била несразмерно висока са оним вредностима: 6674 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м². Више тимова, користећи различите методе, добијало је вредности за Г који су се сукобљавали један са другим на нивоу од 0,15%, што је више од десет пута од раније пријављених несигурности.

Како се то догодило?

Оригинални експеримент за тачно мерење Г, како га је дизајнирао и објавио Хенри Цавендисх, ослања се на принцип торзијске равнотеже који ће се савити и кретати на основу гравитационе привлачности оближње, добро одмерене масе. (Х. ЦАВЕНДИСХ, ФИЛОЗОФСКЕ ТРАНСАКЦИЈЕ КРАЉЕВСКОГ ДРУШТВА ЛОНДОНА, (ДЕО ИИ) 88 П.469–526 (21. ЈУНИ 1798.)

Прво тачно мерење гравитационе константе, независно од других непознаница (попут масе Сунца или масе Земље), дошло је тек експериментима Хенрија Цавендисха крајем 18. века. Цавендисх је развио експеримент познат као торзијска равнотежа, где је минијатурна мрена суспендирана жицом, савршено избалансирана. У близини сваке масе на оба краја биле су две веће масе, које би гравитационо привлачиле мале масе. Количина торзије коју је минијатурна мрена доживела, све док су биле познате масе и растојања, омогућила би нам да експериментално измеримо Г, гравитациону константу.

Упркос многим напретцима физике у протеклих 200+ година, исти принцип који је коришћен у оригиналном кавендишком експерименту и данас се користи у мерењима Г. Не постоји, од 2018. године, техника мерења или експерименталне поставке која би дала врхунске резултате . (ЦХРИС БУРКС (ЦХЕТВОРНО) / ВИКИМЕДИА ЦОММОНС)

Снажно се сумња да је један од главних фактора био познати психолошки фактор пристрасности потврде. Ако све ваше колеге добијају мерења попут 6.67259 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м², с разлогом можете очекивати да добијете нешто попут 6.67224 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м², или 6.67293 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м², али ако имате нешто попут 6.67532 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м², вјероватно бисте претпоставили да сте учинили нешто погрешно.

Тражили бисте могуће изворе грешке, док их не пронађете. И изводили бисте експеримент изнова и изнова, све док не добијете нешто разумно: нешто што је барем у складу са 6.67259 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м².

1997. године, тим Баглеи-а и Лутхера извео је експеримент торзијске равнотеже који је дао резултат 6.674 к 10 ^ -11 Н / кг² / м², што је довољно озбиљно да се постави сумња на претходно пријављени значај одређивања Г. (ЗАЈЕДНИЦЕ ДБАЦХМАНН / ВИКИМЕДИА)

Због тога је такав шок био 1998. године, када је врло пажљив тим добио резултат који се разликовао за спектакуларних 0,15% од претходних резултата, када се тврди да су грешке на тим ранијим резултатима биле више од десет фактора испод та разлика. НИСТ је реаговао избацивањем претходно исказаних несигурности, а вредности су одједном биле скраћене како би се пружиле највише четири значајне цифре, са много већим неизвесностима.

Торзијске ваге и торзијска клатна, обе инспирисане оригиналним кавендиским експериментом, и даље воде у мери у мерењима Г, надмашујући најновију технику експеримената атомске интерферометрије. У ствари, само прошле недеље, тим из Кине тврдио је да добија најпрецизније мерење Г још од два независна мерења: 6,6674184 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м² и 6674484 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м², са несигурностима од само 11 делова по милиону на сваком.

Две методе експерименталног постављања објављене су крајем августа 2018. у часопису Натуре, које су дале најтачнија (тврђена) мерења Г до сада. (К. ЛИУ ЕТ АЛ., ПРИРОДА ВОЛ. 560, 582–588 (2018))

Ове вредности се могу међусобно слагати унутар две стандардне девијације, али се не слажу са другим мерењима која су вршиле друге екипе у протеклих 15 година, а која се крећу од чак 6,6757 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м² и само 6.6719 × 10 ^ -11 Н / кг²⋅м². Док су друге фундаменталне константе познате по прецизности било где између 8 и 14 значајних цифара, неизвесности су од хиљаде до милијарди пута веће када је реч о Г.

Прелазак атома из орбите 6С, Делта_ф1, је транзиција која дефинише метар, секунду и брзину светлости. Имајте на уму да су основне квантне константе које описују наш Универзум познате по хиљадама пута супериорној тачности од Г, прва константа икада измерена. (А. ФИСЦХЕР ЕТ АЛ., НОВИНАР АКУСТИЧКОГ ДРУШТВА АМЕРИКЕ (2013))

Гравитациона константа Универзума, Г, била је прва константа која је икада измерена. Ипак, више од 350 година након што смо први пут утврдили његову вредност, заиста је срамотно колико је наше знање о овој непознато у поређењу са свим осталим константама. Ми користимо ову константу у читавом низу мерења и израчунавања, од гравитационих таласа до пулсарног времена до ширења Универзума. Ипак наша способност да утврдимо је укоријењена у малим мјерењима направљеним управо овдје на Земљи. Најмањи извори несигурности, од густине материјала до сеизмичких вибрација широм света, могу нам пробити пут у нашим покушајима да то утврдимо. Док не будемо могли боље, постојаће својствена, непријатно велика неизвесност, где год је гравитациони феномен важан. 2018 је година, а ми још увек не знамо колико је заправо јака гравитација.

Стартс Витх А Банг је сада на Форбесу, а објављен је на Медиум захваљујући нашим присталицама Патреон-а. Етхан је аутор две књиге, Беионд Тхе Галаки и Трекнологи: Тхе Сциенце оф Стар Трек од Трицордерс до Варп Дриве-а.