Forskere genmåler gravitationskonstant

Tyngdekonstanten G bestemmer tyngdekraften - den kraft, der får æbler til at falde til jorden eller trækker Jorden i sin bane omkring solen. Det er en del af Isaac Newtons lov om universel gravitation, som han først formulerede for mere end 300 år siden. Konstanten kan ikke udledes matematisk; det skal bestemmes gennem forsøg.

Gennem århundreder har videnskabsmænd udført adskillige eksperimenter for at bestemme værdien af ​​G, men det videnskabelige samfund er ikke tilfredse med det nuværende tal. Det er stadig mindre præcist end værdierne af alle de andre fundamentale naturkonstanter – for eksempel lysets hastighed i et vakuum.

En grund til, at tyngdekraften er ekstremt svær at kvantificere, er, at den er en meget svag kraft og ikke kan isoleres:Når du måler tyngdekraften mellem to kroppe, måler du også virkningen af ​​alle andre kroppe i verden.

"Den eneste mulighed for at løse denne situation er at måle gravitationskonstanten med så mange forskellige metoder som muligt," forklarer Jürg Dual, professor ved Institut for Mekanik og Procesteknik ved ETH Zürich. Han og hans kolleger udførte et nyt eksperiment for at genbestemme gravitationskonstanten og har nu præsenteret deres arbejde i det videnskabelige tidsskrift Nature Physics .

Et nyt eksperiment i en gammel fæstning

For så vidt muligt at udelukke kilder til interferens, satte Duals team deres måleudstyr op i det, der plejede at være Furggels-fæstningen, beliggende nær Pfäfers over Bad Ragaz, Schweiz. Forsøgsopstillingen består af to bjælker ophængt i vakuumkamre. Efter at forskerne havde indstillet en vibrerende, fik tyngdekraftskoblingen den anden stråle til også at udvise minimal bevægelse (i picometerområdet - dvs. en trilliontedel af en meter). Ved hjælp af laserenheder målte holdet bevægelsen af ​​de to stråler, og målingen af ​​denne dynamiske effekt gjorde det muligt for dem at udlede størrelsen af ​​gravitationskonstanten.

Den værdi, som forskerne er nået frem til ved hjælp af denne metode, er 2,2 procent højere end den nuværende officielle værdi, som Komitéen for Data for Videnskab og Teknologi har givet. Dual erkender dog, at den nye værdi er behæftet med stor usikkerhed:"For at opnå en pålidelig værdi skal vi stadig reducere denne usikkerhed betydeligt. Vi er allerede i gang med at foretage målinger med en let modificeret værdi. eksperimentel opsætning, så vi kan bestemme konstanten G med endnu større præcision." De første resultater er tilgængelige, men er endnu ikke offentliggjort. Alligevel bekræfter Dual, at "vi er på rette vej."

Forskerne kører eksperimentet på afstand fra Zürich, hvilket minimerer forstyrrelser fra personale til stede på stedet. Teamet kan se måledataene i realtid, når de ønsker det.

Indsigt i universets historie

For Dual er fordelen ved den nye metode, at den måler tyngdekraften dynamisk via de bevægelige bjælker. "I dynamiske målinger, i modsætning til statiske, gør det ikke noget, at det er umuligt at isolere gravitationseffekten af ​​andre legemer," siger han. Det er derfor, han håber, at han og hans team kan bruge eksperimentet til at hjælpe med at knække tyngdekraftens gåde. Videnskaben har stadig ikke helt forstået denne naturkraft eller de eksperimenter, der relaterer til den.

For eksempel ville en bedre forståelse af tyngdekraften give os mulighed for bedre at fortolke gravitationsbølgesignaler. Sådanne bølger blev opdaget for første gang i 2015 ved LIGO-observatorierne i USA. De var resultatet af to kredsende sorte huller, der var smeltet sammen i en afstand af omkring 1,3 milliarder lysår fra Jorden. Siden da har videnskabsmænd dokumenteret snesevis af sådanne begivenheder; hvis de kunne spores i detaljer, ville de afsløre ny indsigt i universet og dets historie.

En karriere-kronende præstation

Dual begyndte at arbejde på metoder til at måle gravitationskonstanten i 1991, men havde på et tidspunkt sat sit arbejde i bero. Observationen af ​​gravitationsbølger ved LIGO gav det dog nyt momentum, og i 2018 genoptog han sin forskning. I 2019 oprettede projektgruppen laboratoriet i Furggels fæstning og begyndte nye eksperimenter. Ud over forskerne fra Duals gruppe og en statistikprofessor involverede projektet også infrastrukturpersonale såsom renrumsspecialister, en elektroingeniør og en mekaniker. "Dette eksperiment kunne ikke være kommet sammen uden mange års teamindsats," siger Dual.

Dual bliver professor emeritus i slutningen af ​​juli i år og har allerede holdt sit afskedsforedrag. "Et vellykket eksperiment er en god måde at afslutte min karriere på," siger han. + Udforsk yderligere

Gravitationsbølgespejleksperimenter kan udvikle sig til kvanteenheder