Het wetenschappelijk onderzoeksteam van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft onlangs de resultaten bekendgemaakt van een 10 jaar durend experiment, dat een nieuwe waarde gaf aan de zwaartekrachtconstante "G", een van de meest fundamentele en moeilijk nauwkeurig te meten constanten in de natuurkunde, en een mogelijke reden onthulde voor de langdurige "onnauwkeurigheid" van zwaartekrachtmetingen.
Zwaartekracht is de zwakste van de vier fundamentele interacties in de natuur, waardoor het een van de moeilijkste fysieke grootheden is om nauwkeurig te meten. NIST-natuurkundige Stephan Schlamminger zei dat de wetenschappelijke gemeenschap de zwaartekrachtconstante al meer dan 200 jaar volgt, maar dat de spreiding van de bestaande 16 belangrijkste meetresultaten nog steeds erg groot is, met een typische onzekerheid van ongeveer 10 delen per miljoen, wat veel lager is dan het nauwkeurigheidsniveau van andere basisconstanten.
De zwaartekrachtconstante, door de natuurkundegemeenschap ook wel de "Big G" genoemd, beschrijft de sterkte van de zwaartekracht tussen twee massa's. Voor het dagelijkse leven van het publiek zullen kleine veranderingen in G geen waarneembare impact hebben, maar voor natuurkundigen zal het zoveel mogelijk vastleggen van de precieze waarde ervan helpen de aard van de zwaartekracht verder te begrijpen en de verkenning van een uniforme natuurkundige theorie te bevorderen.
In dit werk koos het team van Schramminger ervoor om het experimentele pad te repliceren in plaats van het volledig omver te werpen en een nieuwe oplossing te ontwerpen. Ze transporteerden dezelfde apparatuur die werd gebruikt in een beroemd zwaartekrachtconstante-experiment dat in 2014 werd uitgevoerd door het International Bureau of Weights and Measures (BIPM) in Frankrijk van Frankrijk naar het NIST-laboratorium in Gaithersburg, Maryland, VS, in een poging het experiment in verschillende omgevingen te reproduceren en te onderzoeken of er systematische vooroordelen verborgen zaten in de resultaten van dat jaar.
Het BIPM-experiment uit 2014 leverde destijds een van de meest "afwijkende" G-waarden op, dus het replicatie-experiment zal naar verwachting de details achter dergelijke abnormale resultaten onthullen. Het NIST-team startte officieel met de meetwerkzaamheden in 2016. Het hele project duurde 10 jaar. Het was niet alleen een wetenschappelijke meting, maar ook een langdurige verbetering van de ultraprecieze technologie voor het meten van zwakke krachten.
Uit de laatst gepubliceerde gegevens blijkt dat de waarde van de zwaartekrachtconstante die door het team is gegeven, is6,67387±0,00038×10−11m3kg−1s−2, de relatieve standaardonzekerheid is5,7 × 10−5. Vergeleken met de experimentele resultaten van het BIPM in 2014 is deze waarde ongeveer 0,0235% lager. Op het gebied van uiterst nauwkeurige metingen kan dit verschil niet worden genegeerd. Tegelijkertijd is het resultaat ook iets lager dan de G-waarde aanbevolen door CODATA 2018, maar het is nog steeds moeilijk om de oorzaak van de afwijking duidelijk te verklaren.
Wat nog meer baanbrekend is, is dat toen de onderzoekers herhaaldelijk de experimentele omstandigheden afleidden, ze een factor ontdekten die voorheen vaak werd genegeerd: de invloed van restlucht in de vacuümkamer. Volgens het ontwerp moet het experiment, om interferentie zoveel mogelijk te elimineren, worden uitgevoerd in een vrijwel perfecte vacuümomgeving. Het team ontdekte echter dat, hoe het gas ook wordt gepompt, er altijd een kleine hoeveelheid gas in de container achterblijft, waardoor de zogenaamde 'vacuümdruk' wordt gevormd.
Dit restgas zal een uiterst kleine kracht uitoefenen op het experimentele apparaat, waardoor de uiteindelijk gemeten G-waarde wordt beïnvloed. Dit effect is echter niet systematisch meegenomen in de analyse van veel eerdere experimenten. Schramminger wees erop dat deze ontdekking naar verwachting zal helpen verklaren waarom de G-waarden die door verschillende experimenten zijn gegeven al lange tijd inconsistent zijn, maar het is nog te vroeg om conclusies te trekken. Het is ook nodig om elk experimentplan één voor één te bekijken om na te gaan hoe zij omgaan met details zoals restgas.
Toen hij het had over het verschil tussen de nieuwe resultaten en de bestaande erkende waarden, zei Schramminger dat het team momenteel geneigd is te geloven dat de afwijking eerder voortkomt uit de superpositie van meerdere cumulatieve effecten dan uit één enkele factor. Welke effecten en respectievelijke gewichten zijn echter nog niet nauwkeurig ontmanteld. Relevante onderzoeksartikelen zijn gepubliceerd in Metrologia, een tijdschrift op het gebied van metrologie, en zijn onafhankelijk op feiten gecontroleerd.
Dit werk maakte geen einde aan het debat over de zwaartekrachtconstante, maar toonde duidelijk de complexiteit van het probleem aan: zelfs als het tien jaar duurde, hetzelfde apparaat opnieuw gebruikte en zorgvuldig werkte in verschillende laboratoria, was de uiteindelijke G-waarde nog steeds aanzienlijk verschillend van eerdere resultaten. Vanuit het perspectief van de wetenschappelijke gemeenschap is dit zowel een tegenslag als een motivatie; het herinnert onderzoekers eraan dat als ze deze ‘meest bekende en onbekende’ natuurlijke constante volledig willen begrijpen, er steeds meer gedetailleerde experimenten, persistentie op de langere termijn en meer mogelijkheden voor het identificeren van acute fouten nodig zijn.