Гравитационной постоянной G исполнилось 340 лет. Учёные до сих пор не могут измерить её точно

Сэр Исаак Ньютон включил её в свой закон всемирного тяготения в 1686 году. С тех пор минуло 340 лет. Гравитационная постоянная G — одна из старейших фундаментальных констант в физике — остаётся неуловимой. В отличие от скорости света или заряда электрона, её невозможно измерить с высокой точностью. И причина не в недостатке технологий.

Слабая сила

Гравитация — самая слабая из четырёх фундаментальных сил. Она примерно в 10³⁹ раз слабее электромагнетизма. Два магнита на столе легко пересиливают притяжение всей Земли, отрывая скрепку от стола. Но именно эта слабость и делает измерения такими сложными.

В лаборатории невозможно экранироваться от гравитации. Нельзя выключить притяжение, как выключают электрический ток. Каждый объект притягивается к каждому другому объекту постоянно. Стены, пол, потолок, пролетающий за окном грузовик, учёный, дышащий в двух метрах, — всё искажает результат. В экспериментах по измерению G физики охотятся за силой, которая на несколько порядков меньше любой мыслимой помехи.

Эксперимент Кавендиша и 227 лет уточнений

Первую успешную попытку измерить G предпринял Генри Кавендиш в 1798 году. Он использовал крутильные весы: два маленьких свинцовых шара на коромысле, подвешенном на тонкой нити, и два больших шара, которые подносили к ним сбоку. Сила притяжения между шарами закручивала нить. По углу закручивания Кавендиш рассчитал постоянную. Он получил значение G с точностью около 1% от современного. Для конца XVIII века — выдающийся результат.

С тех пор метод совершенствовали. Но точность росла мучительно медленно. К 2026 году лучшее экспериментальное значение G известно с относительной погрешностью около 0,0011%. Для сравнения: постоянная Планка известна с точностью в десятки раз выше. Скорость света — и вовсе определена точно, без погрешности.

Ловушка предвзятости

Команда американского Национального института стандартов и технологий решила повторить эксперимент, изначально проведённый Международным бюро мер и весов во Франции. Но столкнулась с психологической ловушкой: физики, измеряя G, невольно сравнивают свои результаты с опубликованными ранее и подстраиваются под них. Это когнитивное искажение, известное как «предвзятость подтверждения», может затягиваться на годы.

Чтобы избежать этого, исследователи пошли на хитрость. Один из участников эксперимента вводил в установку «слепое смещение» — значение, которое добавлялось к грузам. Никто из группы не знал истинной величины смещения. Оно было запечатано в конверт. Физики настраивали приборы, калибровали датчики, исключали помехи, пока данные не становились стабильными и воспроизводимыми. И только тогда вскрывали конверт.

Конверт открыли 11 июля 2024 года — на два года позже запланированного срока. Задержка произошла из-за ошибки: исследователи сначала не учли влияние воздушного давления на крутильные весы. Пришлось пересчитывать всё заново. Когда конверт наконец вскрыли, оказалось, что полученное значение G на 0,000064 отличается от официального рекомендованного Комитетом по данным для науки и техники.

Что значит эта разница

0,000064 — число, которое на первый взгляд кажется ничтожным. Но в мире фундаментальных констант это пропасть. Для контекста: если бы часы отставали на такую долю в секундах каждый год, то за год они набегали бы ошибку в 34 минуты. Ни одни наручные часы не сошли бы с конвейера с таким допуском. А фундаментальная константа — позволяет.

Если новое значение верно, то масса Земли должна быть пересчитана вверх. Учёные выводят массу планеты из G и ускорения свободного падения. Чуть меньше G — чуть больше масса, чтобы уравновесить уравнение. Не намного. На доли процента. Но достаточно, чтобы геофизики задумались.

Почему это важно

Гравитационная постоянная — краеугольный камень не только ньютоновской механики. В общей теории относительности Эйнштейна G определяет эластичность пространства-времени. Чем меньше G, тем жёстче ткань космоса, тем труднее массивным объектам искривлять её вокруг себя. Планеты, звёзды, галактики — все они подчиняются G. Физики до сих пор не знают, действительно ли G постоянна во времени и пространстве. Некоторые теории предполагают, что она могла медленно меняться с возрастом Вселенной. Но чтобы проверить это, нужно сначала измерить её здесь и сейчас с максимальной точностью.

Разница между старым и новым значением маленькая. Но она есть. И пока учёные не могут объяснить, откуда берутся расхождения между разными экспериментами. Одна команда получает одно число, другая — другое. Разброс превышает заявленные погрешности. Гравитационная постоянная сопротивляется. 340 лет. Десятки экспериментов. Тысячи исследователей. Миллионы долларов. И ответа нет. Физики шутят: если хотите прославиться — измерьте G точно. Ни у кого не получилось. И, возможно, ни у кого не получится. Потому что гравитация не даёт себя поймать. Она держит планеты на орбитах, звёзды в галактиках, галактики в скоплениях. Но сама ускользает от самого чувствительного прибора, который построил человек.

Может быть, в этом и есть её главная тайна. Может быть, гравитация — не сила. Может быть, это свойство пространства, которое нельзя измерить изнутри. Как рыба не может измерить воду, в которой плавает. А человек — пространство-время, которое его и породило. И тогда 340 лет попыток — не поражение, а единственно возможный результат. Вселенная не даст себя замерить. Потому что замеряющий — часть замеряемого. И любой эксперимент — диалог с самим собой. А в таком диалоге точность недостижима по определению. Может быть, поэтому G упрямо не поддаётся.

И будет не поддаваться всегда. Сколько бы лет ни прошло. Сколько бы конвертов ни вскрыли. Сколько бы теорий ни сменили Ньютона и Эйнштейна. Гравитационная постоянная останется загадкой. Возможно, самой большой в физике. Или, что ещё более вероятно, — самой простой. Просто человек пока не научился правильно задавать вопрос. Он спрашивает: «чему равна G?» А Вселенная отвечает: «в системе отсчёта, в которой ты измеряешь, — вот такой». И это другой ответ. Который требует другого понимания. Которого пока нет. И, возможно, никогда не будет.

Потому что понять — значит выйти за пределы. А за пределы гравитации выйти нельзя. Она везде. Она удерживает нас здесь. И, кажется, ей это нравится. Уже 340 лет. И она не собирается отпускать. Ни планету с орбиты. Ни физика от эксперимента. Ни истину от загадки.