Veliko G posle 340 godina: Zašto gravitaciona konstanta i dalje zbunjuje naučnike

Gravitaciona konstanta, poznata kao Veliko G, ove godine slavi 340 godina od prvog pojavljivanja u Njutnovom opisu univerzalne gravitacije — ali i dalje ostaje od svih fundamentalnih konstanti najlošije određena. Uprkos vekovima eksperimenta i tehnološkog napretka, različita merenja vrednosti G daju rezultate koji se međusobno ne poklapaju dovoljno dobro, što brine metrologe i teoretičare.

Stephan Schlamminger iz National Institute of Standards and Technology (NIST) proveo je poslednjih deset godina pokušavajući da razjasni ovu zagonetku. Njegov tim replicirao je precizan eksperiment koji je prvobitno izvela Međunarodna biroa za tegove i mere (BIPM) u Sèvresu i preveo ga u svoj laboratorij u Gaithersburgu, sa dodatkom slepe procedure kako bi se izbegla podsvestna pristrasnost.

„G je najbolje čuvana tajna gravitacije. To je najstarija fundamentalna konstanta koju poznajemo — a opet najmanje precizno izmerena,“ rekao je Schlamminger za Space.com. „To mi izgleda kao jedna od velikih nerešenih sramota fizike.“

Veliko G je uvedeno u Njutnovu formulu koja opisuje silu privlačenja između dva tela i ključna je za računanje jačine gravitacije. Iako je Njutnova teorija dopunjena Ajnsjtajnovom opštom teorijom relativnosti, konstanta G i dalje ostaje neophodna: u Njutnovom okviru ona određuje jačinu sile, dok u opštoj relativnosti utiče na „elastičnost" prostor-vremena — manji G znači da je prostor-vreme otpornije na izvijanje.

The English natural philosopher Henry Cavendish (1731-1810) built a torsion balance to measure the gravitational force between two large masses, so that he could make the first calculation of the mass of the Earth. | Credit: Science & Society Picture Library/Getty Images

Prvi ozbiljan pokušaj merenja G izveo je Henry Cavendish 1798. godine koristeći torzijsku vagu i olovne sfere. Ipak, i danas, zbog toga što je gravitacija daleko najslabija od četiri fundamentalne sile i jer je nemoguće „izolovati" je ili „zasenčiti" kao električna ili magnetna polja, precizna merenja ostaju izuzetno zahtevna.

Kako je tekao NIST eksperiment

Da bi sprečili fenomen koji Schlamminger naziva „intelektualno fazno zaključavanje“ — kada istraživači nesvesno stanu čim rezultati počnu da se poklapaju sa očekivanjem — tim je primenio slepu proceduru: kolega je dodao unapred poznat, ali skriven bias masama koje su korišćene za proračune, a vrednost biasa je bila zatvorena u koverti do završetka analize.

Kovertu su otvorili 11. jula 2024. — dve godine kasnije nego što je prvobitno planirano, jer je Schlamminger otkrio suptilni efekat pritiska vazduha koji je trebalo korigovati u proračunima.

Stephan Schlamminger (left) and colleague Vincent Lee examine the torsion balance they used to measure the gravitational constant, Big G. | Credit: R. Eskalis/NIST

Tim je dobio vrednost G koja je za 0.000064 manja od vrednosti koju trenutno preporučuje Committee on Data of the International Science Council (CODATA). Iako se radi o izuzetno maloj apstraktnoj razlici, ona ima opipljive konsekvence: ako je novo merenje tačno, procena Zemljine mase porasla bi za otprilike 3,2×10^20 kg (oko 360 kvadriliona tona).

„Hoću da bude jasno: misterija nije rešena. Neslaganje među eksperimentima i dalje postoji i čeka objašnjenje,“ izjavio je Schlamminger. „To održava oblast živom.“

Schlamminger je najavio da se privremeno povlači iz istraživanja fundamentalnih konstanti kako bi se posvetio preciznim merenjima električnih veličina, ali problem raspršenih vrednosti G ostaje otvoren i poziva na dalje nezavisne i rigorozne eksperimente.

Rezultati NIST tima objavljeni su u časopisu Metrologia.