Гравитационная постоянная измерена новыми методами

Схема атомно-интерференционной установки по измерению гравитационной постоянной (изображение из обсуждаемой статьи в Science)

Гравитационная константа Ньютона измерена методами атомной интерферометрии. Новая методика свободна от недостатков чисто механических экспериментов и, возможно, позволит скоро изучать эффекты общей теории относительности в лаборатории.

Фундаментальные физические постоянные, такие как скорость света c, гравитационная постоянная G, постоянная тонкой структуры α, масса электрона и другие, играют чрезвычайно важную роль в современной физике. Заметная часть экспериментальной физики посвящена как можно более точному измерению их значений и проверке того, не изменяются ли они во времени и пространстве. Даже малейшие подозрения в непостоянности этих констант могут породить целый поток новых теоретических исследований и пересмотр общепринятых положений теоретической физики. (См. популярную статью Дж. Бэрроу и Дж. Веба Непостоянные постоянные // «В мире науки», сентябрь 2005 г., а также подборку научных статей, посвященных возможной непостоянности констант взаимодействия.)

Большинство фундаментальных констант известны сегодня с чрезвычайно высокой точностью. Так, масса электрона измерена с точностью 10^–7 (то есть стотысячная доля процента), а постоянная тонкой структуры α, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия, — с точностью 7 × 10^–10 (см. заметку Уточнена постоянная тонкой структуры). В свете этого может показаться удивительным, что значение гравитационной постоянной, которая входит в закон всемирного тяготения, известно с точностью хуже, чем 10^–4, то есть одна сотая доля процента.

Такое положение вещей отражает объективные трудности гравитационных экспериментов. Если пытаться определить G из движения планет и спутников, то необходимо с высокой точностью знать массы планет, а они-то как раз известны плохо. Если же поставить механический эксперимент в лаборатории, например измерить силу притяжения двух тел с точно известной массой, то такое измерение будет иметь большие погрешности из-за чрезвычайной слабости гравитационного взаимодействия.

В 1998 году комитет CODATA, занимающийся анализом экспериментов по измерению фундаментальных констант и их результатов и на основании этого рекомендующий к использованию их численные значения, под натиском новых противоречащих друг другу экспериментальных данных был вынужден в 12 раз (!) ухудшить точность рекомендованного значения G по сравнению с 1986 годом (см. сообщение в журнале Physics Today, March 2001). Затем выяснилось, что причиной этих разногласий могли стать неучтенные систематические погрешности при постановке опытов, но и сейчас никто не может гарантировать, что в столь сложные механические эксперименты не закрался еще какой-нибудь неучтенный источник ошибок.

Все эти трудности поставили физиков перед необходимостью найти иные способы измерить гравитационную постоянную. На роль такого метода уже давно предлагалась атомная интерферометрия, но только сейчас эту идею удалось реализовать. В недавней статье американских физиков J. B. Fixler et al., Science, vol. 315, p. 74 (5 January 2007), сообщается об измерении гравитационной постоянной этим способом.

Новый метод основан на том факте, что любые микроскопические частицы, например атомы, в определенных условиях ведут себя как волны, в частности могут интерферировать. В гравиметре (приборе, измеряющем гравитацию), в котором используется это явление, сверххолодное облачко атомов цезия вначале удерживается с помощью нескольких скрещенных лазерных лучей, а затем подкидывается в поле тяжести. В определенный момент в него снизу выстреливают специально настроенным лазерным импульсом, который переводит атомы в полувозбужденное-полунормальное состояние — специфическое состояние, которое возможно в квантовой механике. В таком состоянии облачко как бы «расщепляется» на две компоненты, которые летят в поле тяжести по слегка отличающимся траекториям. Затем — под воздействием еще одного лазерного импульса — эти компоненты сливаются вновь и при слиянии интерферируют. Измерив получившееся состояние атомного облака, можно выяснить, насколько отличались эти траектории, и отсюда получить значение силы тяжести.

Такого типа эксперименты проводились и ранее, но они, как уже говорилось, не помогали измерить значение G с нужной точностью. Американцы слегка модифицировали этот эксперимент. Они установили два одинаковых гравиметра на разной высоте, а между ними на платформе закрепили свинцовый груз массой 540 кг. Этот груз по-разному влиял на силу тяжести, испытываемую атомными облачками в двух гравиметрах — в верхнем сила тяжести слегка увеличивалась из-за дополнительного притяжения к грузу, а в нижнем — слегка уменьшалась. По разности измерений в верхнем и нижнем гравиметре ученые получали чистый эффект, вызванный гравитацией только от массивного груза, поскольку сила земного притяжения не влияет на эту разность (остаточное воздействие земного притяжения, связанное с разностью высот двух гравиметров, устранялось с помощью многократного повторения эксперимента при различном вертикальном положении груза). Поскольку масса и положение груза были измерены с большой точностью, не представляло труда вычислить гравитационную постоянную.

Целью этого эксперимента была лишь демонстрация того, что такой метод измерения G действительно работает. Величина гравитационной постоянной была определена с точностью около 3 тысячных, что всё еще в 20 раз хуже точности «стандартных» экспериментов. Однако уже в ближайшее время ожидается существенный прогресс: в статье European Physical Journal D 40, 271 (15 September 2006) сообщается о подготовке нового эксперимента, призванного уменьшить погрешность измерения G до одной десятитысячной.

В заключение отметим, что применение атомной интерферометрии в гравитационном эксперименте не ограничивается одним лишь измерением гравитационной постоянной. В недавнем препринте gr-qc/0610047 описываются блестящие перспективы по изучению эффектов общей теории относительности в лаборатории.

Игорь Иванов