Stała grawitacyjna - oznaczana dużą literą G - to jedna z podstawowych stałych fizycznych. Opisuje siłę grawitacji, z jaką przyciągają się ciała. Dzięki grawitacji nasze stopy stoją na Ziemi, a planeta krąży dookoła Słońca. Jednak pomimo istotności stałej grawitacji, wcale nie jest prosto ją wyznaczyć z dużą dokładnością.

Naukowcy dokonują pomiarów stałej grawitacji od co najmniej dwóch wieków. Jednak jej wartość jest znana najmniej dokładnie spośród pozostałych stałych fizycznych związanych z podstawowymi oddziaływaniami w naturze. Oprócz grawitacji są to oddziaływania elektromagnetyczne, oddziaływania słabe oraz oddziaływania silne.

Częściowo za problem odpowiada fakt, iż grawitacja jest najsłabsza z tych oddziaływań. Naukowcy są ograniczeni warunkami laboratoryjnymi – mogą dokonywać pomiarów dla mas na tyle małych, żeby można było je ważyć i przesuwać. Oddziaływanie grawitacyjne pomiędzy takimi niewielkimi masami – w porównaniu np. do masy Ziemi – jest bardzo małe.

Z upływem lat eksperymenty są coraz bardziej czułe i wyrafinowane, jednak wiele najnowszych pomiarów stałej grawitacji G ma nieco różniące się wartości. Różnice te są na poziomie jednej dziesięciotysięcznej - ale to nadal zbyt dużo, aby dało się je wyjaśnić błędami pomiarowymi w eksperymentach. Ciągle istnieje więc zagadka: czy mamy jakiś błąd pomiarowy, którego nie uwzględniamy? Czy może źle rozumiemy grawitację?

Stephan Schlamminger, fizyk z Narodowego Instytutu Standaryzacji i Technologii w USA (ang. National Institute of Standards and Technology, NIST), postanowił wraz z zespołem powtórzyć niezwykle precyzyjny eksperyment, który w 2007 roku przeprowadziło Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (ang. International Bureau of Weights and Measures, BIPM) w Sèvres we Francji. Gdyby udało się uzyskać identyczny wynik, zagadka zostałaby rozwiązana.

Eksperyment opiera się na zastosowaniu wagi torsyjnej, w której mierzy się niewielkie siły poprzez pomiar kąta skręcenia cienkiego włókna. Metoda ma swoje korzenie w eksperymencie z 1798 roku przeprowadzonym przez Henry’ego Cavendisha z Wielkiej Brytanii.

W historycznym doświadczeniu Cavendisha dwie ołowiane kule były umieszczone na przeciwległych końcach drewnianej belki, zawieszonej poziomo na cienkim drucie. Obok umieszczono dwie znacznie cięższe masy, zawieszone oddzielnie. Przyciąganie grawitacyjne pomiędzy mniejszą a większą masą powodowało obrót drewnianej belki, skręcając drut, aż moment obrotowy zrównoważył siłę grawitacji. Ruch drewnianej belki, mierzony przy pomocy lustra i wskaźnika świetlnego, pozwalał wyznaczyć wartość stałej grawitacji.

Współczesne eksperyment obejmował osiem mas w postaci metalowych cylindrów. Cztery z nich umieszczono na obracającej się karuzeli. Cztery mniejsze masy umieszczono z kolei wewnątrz karuzeli, na dysku zawieszonym na wstędze z miedzi i berylu o grubości ludzkiego włosa. Kiedy zewnętrzne i wewnętrzne masy przyciągają się, powoduje to skręcanie metalowego paska, dając możliwość ustalenia wartości stałej grawitacji.

We współczesnym eksperymencie stosowano jednak dodatkowo też drugi sposób. W drugiej serii pomiarów przyłożono napięcie do elektrod umieszczonych wzdłuż każdej z mas wewnętrznych. Napięcia te wytworzyły moment elektrostatyczny, który skręcił drut w kierunku przeciwnym do momentu indukowanego grawitacyjnie. Odpowiednio dobierając napięcie, tak aby dokładnie zrównoważyło moment grawitacyjny, zapobiegano obracaniu się wagi skrętnej. Wartość napięcia pozwoliła na kolejne oszacowanie wartości stałej grawitacji.

Dla sprawdzenia czy substancja, z której zbudowane były masy, ma wpływ na eksperyment, dokonano pomiarów najpierw dla mas zbudowanych z miedzi, a potem z szafiru. W obu przypadkach uzyskano identyczne wyniki.

Wynik eksperymentu wstępnie ogłoszono na jednej z konferencji w 2024 roku. Potrzeba było dwóch lat dodatkowych analiz, aby opublikować ostateczną wersję w czasopiśmie „Metrologia”.

Zmierzona wartość G to 6,67387 w odpowiednich jednostkach (10 do minus 11 metra sześciennego, na kilogram, na sekundę do kwadratu). Jest to wartość o 0,0235 proc. mniejsza niż wynik francuski.

Różnica pomiędzy tymi dwoma pomiarami stałej grawitacji nie jest na tyle duża, aby wpływała na ważenie w życiu codziennym. Niemniej jednak problem pokazuje aktualne ograniczenia eksperymentalne w pomiarze wartości stałej grawitacji i wymaga w przyszłości dalszych eksperymentów przez kolejne zespoły naukowców. (PAP)

cza/ zan/