ステファン・シュラミンジャーと同僚のヴィンセント・リーは、重力定数の測定に使用したねじりバランスを調査します
R. エスカリス/NIST
何世紀にもわたって、物理学者は重力の強さ、つまり「ビッグ G」と呼ばれる数値を測定しようとしてきました。測定値は決して一致しませんでした。これは、私たちが実験を完全に理解していないか、重力を完全に理解していない可能性があることを示唆しています。最新の実験ではどちらのシナリオも確認されていないが、新たな大G実験での並外れた精度と細心の注意により、最終的に研究者らは合意に近づくかもしれない。
重力は他の基本的な力よりもはるかに弱いため、正確に測定することが非常に困難になります。 「子どもの頃、私たちは磁石で遊んだとき、磁石が引き合う仕組みに魅了されました。重力についても同じことが言えます。コーヒー カップを 2 つ持っていて、それぞれの手に置くと、その間には依然として力が存在しますが、それは感じられないほど小さいため、それほど魅了されません」と米国国立標準技術研究所のステファン シュラミンジャー氏は言います。この弱さは、重力の真の強さの測定を非常に困難にしている原因の一部でもあります。
もう 1 つは、他の力とは異なり、実験を重力から守ることは不可能であるということです。 1798 年、物理学者のヘンリー・キャベンディッシュは、ねじり天秤と呼ばれる装置を使用することでこの問題を解決しました。これにより、精度は低いものの、初めて重力を測定することができました。
ねじりバランスを想像するには、中央の糸からぶら下がっている水平のつまようじを想像してください。棒の両端には小さなビー玉があります。ビー玉の近くに別のオブジェクトを移動すると、そのオブジェクトの重力によってビー玉が引き寄せられ、スティックがわずかに回転します。スティックの回転量を測定することで、ワイヤーによって打ち消される地球の重力を気にせずに、ビー玉と外部の物体との間の重力を計算できます。
シュラミンジャーと彼の同僚が行った実験は、これをさらに洗練したもので、正確に校正された 2 台のターンテーブルに 8 つの重りを置き、すべて人間の髪の毛ほどの太さのリボンで吊るしました。これは、2007 年にフランスで初めて行われた実験を丹念に再現したものでした。研究者らは、考えられるすべての不確実性の原因を測定し、軽減するのに 10 年かかりました。 「これは最高の実験物理学だ」と、この研究には関与していないワシントン大学のジェンス・ガンドラック氏は言う。
ノースカロライナ州立大学のケイシー・ワゴナー氏は、「彼らが行った注意のレベルと彼らが調査したさまざまな効果のすべてを考えると、これは状況を一変させるような実験だ」と語る。彼もこの研究には参加していない。大きな G の最終値は 6.67387×10 でした。-11 メートル3 毎キログラム毎秒2。これは 2007 年の測定値より数パーセント低いですが、測定結果を長年にわたって実施されてきた他のテストと一致させるには十分です。
「ビッグ G は単なる重力の尺度ではなく、重力をどれだけうまく測定できるかを示す尺度であり、物理学の時代を超えています。私たちの実験を 230 年前のキャベンディッシュの実験と比較することができ、230 年後には彼らの実験と私たちの実験を比較することができます。」とシュラミンジャー氏は言います。 「最終的には、人類のどの時代がこれを最もよく測定でき、測定間の一致が最も大きいかということになると思います。」
シュラミンジャー氏と彼のチームは、これまで知られていなかった不確実性の原因をいくつか特定することで、その一致度を高めたとガンドラック氏は言う。 「風景は以前よりも良くなり、より信頼でき、より信頼できるようになりました」と彼は言います。
また、それらは、将来の実験で大きな G をより正確に測定するための道を切り開きました。宇宙論的な測定の多くは重力の強さの知識に依存しており、その精度も高まるにつれて、その重要性はますます高まっています。 「ここに何か面白いことがあれば、それは研究室の規模から宇宙の規模まで影響を与えるでしょう」とワゴナー氏は言う。 「研究室ではほんのわずかな違いであっても、それを宇宙規模で考えると、その違いは爆発的に広がり、非常に大きな影響を与える可能性があります。」
ほとんどの研究者は、残りの不一致の最も可能性の高い説明は、すべての実験におけるバイアスと不確実性の原因を完全に理解していないことであることに同意していますが、実際には、重力が私たちが考えていたものとは異なる動作をしていることが原因である可能性があります。もしそうなら、私は新しいエキゾチックな物理学の可能性を示唆したいと思います。 「科学に対する私たちの理解にはギャップがあり、私たちはそのギャップに入り込まなければなりません。そこには何もないかもしれませんが、そこに行かないのは愚かです」とシュラミンジャーは言います。
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