Юный техник, 2000 № 02

Мир, как считали древние, держится на мифических китах. Сегодня, перефразируя утверждение, можно сказать, что он держится на физических константах. Некоторые постоянные известны до 12 знака после запятой. Однако, как это ни удивительно, до сих пор недостаточно точно измерена одна из знаменитейших и самых важных констант — гравитационная постоянная, та самая, что входит в ньютоновский закон всемирного тяготения. Уже третий знак после запятой вызывает у ученых сегодня споры: то ли 6,67, то ли 6,68, умноженное на 10^-11… О том, как решается старая проблема современной физикой, мы и поговорим сегодня.

Художник Ю.САРАФАНОВ

Место действия — физическая лаборатория в подвале Вефертальского университета, ФРГ. Прецизионный двигатель перемещает взад-вперед по рельсам две полутонные гири. Между ними подвешены два маленьких маятника. Цель эксперимента — измерить отклонения маятников, вызванные притяжением гирь.

Поскольку сами по себе силы гравитации крайне незначительны, физикам приходится оперировать при измерениях величинами того же порядка, что и при измерении диаметра атомов. При этом, конечно, точность эксперимента требует, чтобы величина измеряемого отклонения вызывалась лишь самими гирями, а не какими-то посторонними силами.

Профессор Генрих Майер поясняет:

— Если бы измерение производилось в тот момент, когда мы находимся рядом с гирями, то на его результаты полагаться было бы нельзя. Ведь люди тоже обладают массой. Пусть это всего лишь 70–80 кг, но они создают силу притяжения, которая может исказить результаты эксперимента.

Впрочем, не только сами экспериментаторы могут вносить погрешность в эксперимент.

Скажем, когда сходные измерения недавно проводились в США, исследователи долгое время не могли понять, почему по утрам показания приборов были иными, чем, скажем, вечером. И лишь спустя несколько недель кто-то из сотрудников обратил внимание, что как раз в это время на соседнем газоне включается поливальный автомат. А влажная почва имеет иной удельный вес, нежели сухая; отсюда и изменение окружающего лабораторию гравитационного поля, а стало быть, искажение результатов измерений.

Началась же эта увлекательная погоня за точным значением гравитационной постоянной более 200 лет назад. Первый шаг в нужном направлении в 1789 году сделал крупнейший английский физик Генри Кавендиш.

Для экспериментальной проверки закона всемирного тяготения и измерения гравитационной постоянной ученый решил использовать изобретенные пятью годами раньше крутильные весы.

Они представляют собой уравновешенный рычаг, подвешенный на упругой нити и предназначенный для измерения малых сил. Кавендиш поместил возле концов рычага гири, в результате чего рычаг стал поворачиваться в горизонтальной плоскости и остановился, лишь когда силы тяготения оказались уравновешены силой упругости закрученной нити. По углу отклонения английский ученый и определил величину гравитационной постоянной, а заодно вычислил среднюю плотность и массу земного шара.

С тех пор ученые разных стран не раз и не два повторяли эксперимент Кавендиша в своих лабораториях. Например, в 1982 году американские физики провели эксперимент с небывалой точностью. В результате международная комиссия признала полученные результаты окончательным значением гравитационной постоянной.

Однако несколько лет спустя выяснилось, что решение было принято поспешно. В вычисления американцев вкралась ошибка. А во всем виновата оказалась металлическая нить новых крутильных весов.

— Нить состоит из атомов, расположенных в определенном порядке, — поясняет профессор Майер. — При этом образуется правильная кристаллическая структура. Однако когда нить под действием внешних сил перекручивается, кристаллы слегка смещаются, а когда она возвращается в исходное положение, кристаллы не попадают точно в те места, которые они занимали ранее — сказывается остаточная деформация металла. Это и приводит к погрешности измерений…

Проблема сама по себе вполне решаемая. Дефект можно учесть математически. Просто раньше на него никто не обратил внимание, отсюда и ошибка. Однако, чтобы скорректировать результаты, американским физикам нужна была именно та самая нить, с которой проводились измерения, а установка к тому времени была уже разобрана, и где та самая нить, никто уже не помнил.