Nội dung bài viết
Những thí nghiệm như vậy mang lại “trật tự cho vũ trụ, cho dù con số đó có phù hợp với giá trị mong đợi hay không”. Hằng số hấp dẫn, được trìu mến gọi là “Big G”, là một trong những hằng số cơ bản nhất của vũ trụ chúng ta.
Giá trị của nó mô tả cường độ của lực hấp dẫn tác dụng lên hai khối lượng cách nhau một khoảng cách nhất định – hoặc nếu bạn muốn theo thuyết tương đối về nó, thì lượng của một khối lượng nhất định sẽ làm cong không-thời gian.
Các nhà vật lý có một con số chắc chắn về giá trị của Big G, nhưng họ đã cố gắng đo nó chính xác hơn bao giờ hết trong hơn hai thế kỷ, mỗi nỗ lực đều mang lại những giá trị hơi khác nhau. Và chúng tôi thực sự muốn nói một chút: Các giá trị thay đổi khoảng một phần trong 10.000.
Tuy nhiên, các hằng số cơ bản khác được biết chính xác hơn nhiều. Vì vậy, Big G là con cừu đen của gia đình và là điểm gây thất vọng cho các nhà vật lý quan tâm đến đo lường chính xác.
Vấn đề là lực hấp dẫn quá yếu, cho đến nay là lực yếu nhất trong bốn lực cơ bản, do đó có tiếng ồn nền đáng kể từ trường hấp dẫn của Trái đất (hay còn gọi là “g nhỏ”). Điểm yếu đó càng thể hiện rõ hơn trong phòng thí nghiệm.
Trong nỗ lực mới nhất nhằm giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học tại Viện Khoa học Quốc gia Tiêu chuẩn và Công nghệ (NIST) đã dành thập kỷ qua để tái tạo một trong những kết quả thử nghiệm khác biệt nhất gần đây. Nhóm vừa công bố kết quả của họ trong một bài báo đăng trên tạp chí Metrologia.
Nó không giải quyết được sự khác biệt, nhưng nó mang lại cho các nhà vật lý thêm một điểm dữ liệu nữa trong cuộc tìm kiếm đang diễn ra của họ để xác định một giá trị chính xác hơn cho Big G.
Isaac Newton đã đưa ra khái niệm về hằng số hấp dẫn khi ông công bố định luật vạn vật hấp dẫn vào cuối thế kỷ 17, mặc dù mãi đến thập niên 1890 nó mới có ký hiệu Big G.
Newton nghĩ rằng có thể đo cường độ trọng trường bằng cách đung đưa một con lắc gần một ngọn đồi lớn và đo độ lệch, nhưng ông chưa bao giờ thực hiện thí nghiệm đó, lý luận rằng hiệu ứng sẽ quá nhỏ để đo được.
Đến năm 1774, Hiệp hội Hoàng gia đã thành lập một ủy ban để xác định mật độ của Trái đất như một phép đo gián tiếp của Big G, sử dụng một biến thể của khái niệm con lắc Newton.
Henry Cavendish vào năm 1798 là người đã thực hiện được phép đo trực tiếp đầu tiên trong phòng thí nghiệm về lực hấp dẫn giữa hai vật bằng cách sử dụng cân xoắn, mặc dù mục tiêu của ông là mật độ của Trái đất.
Điều này bao gồm một la quả tạ rge với những quả cầu chì dài 2 inch ở hai đầu của một thanh gỗ dài 6 feet được treo bằng một sợi dây ở giữa để nó có thể xoay.
Ngoài ra còn có một quả tạ thứ hai với hai quả cầu chì 12 inch, mỗi quả nặng 350 pound, sẽ hút những quả cầu nhỏ hơn khi đưa lại gần, khiến thanh treo bị xoắn.
Cavendish đã tỉ mỉ ghi lại những dao động đó để đo lực hấp dẫn của những quả cầu lớn hơn lên những quả cầu nhỏ hơn, và từ đó ông có thể suy ra mật độ của Trái đất. Kể từ đó, cân xoắn của ông đã trở thành một công cụ đắc lực cho các nhà vật lý quan tâm đến việc cải tiến giá trị của Big G.
Việc phát triển các thí nghiệm ngày càng chính xác hơn từ lâu đã là chiến lược chủ đạo để giải quyết những khác biệt. Các tác giả của bài báo mới nhất này nhận ra rằng chỉ cần thêm nhiều phép đo hơn vào tập dữ liệu là không đủ vì các kết quả không nhất quán trước đó vẫn chiếm ưu thế.
Vì vậy, họ nảy ra ý tưởng xem xét kỹ hơn một trong những ngoại lệ lớn nhất – cụ thể là một thí nghiệm năm 2007 của các nhà vật lý tại Cục Cân nặng và Đo lường Quốc tế (BIPM) của Pháp sử dụng một phiên bản phức tạp hơn nhiều của thiết bị cân xoắn Cavendish.
Bản sao của nhóm NIST đã thử nghiệm BIPM ban đầu, xây dựng một cân xoắn với tám ống trụ kim loại: bốn ống trụ trên một băng chuyền quay và bốn khối lượng nhỏ hơn bên trong băng chuyền, đặt trên một đĩa lơ lửng được giữ bởi một dải ruy băng mỏng bằng đồng-beryllium.
Cân xoắn và dải băng sẽ xoắn lại khi các khối lượng bên ngoài thu hút các khối lượng bên trong, và các nhà vật lý đã đo Big G bằng cách theo dõi chuyển động quay của hình trụ và thu được mô men xoắn hấp dẫn.
Họ cũng thực hiện loạt phép đo thứ hai bằng cách đặt một điện áp vào các điện cực bên cạnh khối lượng bên trong. Điều này làm xoắn sợi dây theo hướng ngược lại với mômen quay hấp dẫn, và cường độ điện áp cung cấp một ước tính khác về Big G.
Các nhà khoa học của NIST còn bổ sung thêm một bước xoắn nữa: Họ tiến hành hai phiên bản thí nghiệm, một với khối lượng đồng và một với khối lượng sapphire, thu được các giá trị gần như giống hệt nhau cho cả hai.
Điều này loại trừ khả năng các vật liệu cụ thể được sử dụng đang ảnh hưởng đến các phép đo. Sau tất cả những điều đó, họ đã đưa ra giá trị 6,67387×10 -11 mét 3 /kg/giây 2 .
Đó là thấp hơn 0,0235 phần trăm so với kết quả BIPM ban đầu. Một số người có thể đặt câu hỏi tại sao các nhà vật lý tiếp tục cố gắng đo giá trị của G với thời gian sớm hơn.
vết cắt. Một lợi ích là nó đưa đến những công cụ ngày càng tốt hơn để đo các lực, mô men xoắn nhỏ và các hiệu ứng tinh vi khác, những tiến bộ mang lại lợi ích cho khoa học nói chung.
Ngoài ra, “Mọi phép đo đều quan trọng, bởi vì sự thật rất quan trọng,” đồng tác giả Stephan Schlamminger, một nhà vật lý tại NIST cho biết. “Đối với tôi, thực hiện một phép đo chính xác là một cách mang lại trật tự cho vũ trụ, cho dù con số có phù hợp với giá trị mong đợi hay không”.
Đo lường, 2026. DOI: 10.1088/1681-7575/ae570f ( Giới thiệu về DOI ).
Ars Technica đã tách tín hiệu khỏi tiếng ồn trong hơn 25 năm. Với sự kết hợp độc đáo giữa hiểu biết về kỹ thuật và mối quan tâm sâu rộng đến nghệ thuật và khoa học công nghệ, Ars là nguồn đáng tin cậy trong biển thông tin.
Suy cho cùng, bạn không cần phải biết mọi thứ, chỉ cần biết những gì quan trọng.
Gợi ý thực hành:
1. Theo dõi thông báo từ cơ quan địa phương tại California.
2. Kiểm tra nguồn chính thức trước khi chia sẻ lại thông tin.