私たちはこれまでずっと重力を間違って測定していたのでしょうか?

重力はどこにでもあります。重力は、地球を太陽の周りの軌道に固定し、木が永久に成長しないようにし、朝食のシリアルをボウルの中に留めておく力です。また、宇宙を理解する上で欠かせない要素でもあります。

しかし、その力はどれほど強いのでしょうか? 物体が羽のように軽くても石のように重くても、重力の作用は同じであることはわかっていますが、それ以外では、科学者たちは何世紀にもわたって宇宙の重力を研究しているにもかかわらず、その質問に対する正確な答えを持っていません。

アイザック・ニュートンの万有引力の法則によれば、2 つの物体 (または粒子) を引き寄せる重力は、物体の質量が大きく、物体同士が近づくほど強くなります。たとえば、5 インチ離れた 2 本の羽の間の重力は、同じ距離にある 2 個のリンゴの間の重力よりも弱くなります。ただし、力の正確な計算は、方程式では「G」で表される万有引力定数と呼ばれる普遍的な変数に依存します。

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物理学者たちは「G」にどのような値を割り当てるべきか正確にはわかっていない。しかし、スイスの新しいアプローチは、そもそも重力をより良くテストする方法について新たな洞察をもたらすかもしれない。

「これらの基本定数は、基本的に宇宙の構造に組み込まれています」と、国立標準技術研究所物理計測研究所の物理学者、ステファン・シュラミンガー氏は言う。「人間は実験を行ってその値を調べることはできますが、真の値を知ることはできません。真実にどんどん近づき、実験はどんどん良くなり、最終的に真の値に近づきます。」

「G」を測定するのはなぜ難しいのでしょうか?

数えることと違って、測定は本質的に不正確だと、国際純粋・応用物理学連合のニュートンの重力定数に関する作業部会の議長を務めるシュラミンガー氏は言う。

「巻尺でテーブルの長さを測ると、2 つの目盛りの間にあるとします。次に、目盛りを使って [数字] がどこにあるかを把握する必要があります」と彼は言います。「顕微鏡か何かを使うこともできますし、測定技術が進歩すればするほど、不確実性はどんどん小さくなります。しかし、不確実性は常に存在します。」

シュラミンガー氏は、重力定数についても同じ課題があると言う。研究者は常に2つの物体間の力を何らかの形で増分して測定するため、結果に不確実性を含める必要があるからだ。

さらに、実験室で物体間に作用する重力は、常に施設の規模によって制限されます。そのため、高度なツールでさまざまな質量を測定することはさらに困難になります。

最後に、測定値には常に干渉が生じる可能性があると、重力定数を再決定するための新しい実験を行ったチューリッヒ工科大学の力学および実験力学の教授、ユルグ・ドゥアル氏は言う。質量を持つ物体はどれも、その近くにある質量を持つ他のすべての物体に重力を及ぼすため、実験者は地球の重力、実験者自身の重力、および重量を支えるその他のすべての存在による外部の影響をテスト結果から排除できなければならないからだ。

物理学者はどのような実験を試みたのでしょうか?

1798 年、ヘンリー・キャベンディッシュは、ねじり天秤と呼ばれる技術を使用して万有引力定数を測定するための実験室実験の標準を確立しました。

この技術は、一種の改良振り子を利用している。両端に 2 つのテスト質量が付いた棒が、その中間点から下方に垂れ下がった細いワイヤーに吊り下げられている。棒は地球の重力場に対して水平であるため、キャベンディッシュは測定結果から惑星の力の多くを取り除くことができた。

キャベンディッシュは、直径 2 インチの小さな鉛球 2 つをテスト質量として使用しました。次に、直径 12 インチの大きな鉛球を 2 つ目の質量セットとして追加しました。この 2 つ目の質量は、テスト質量とは別に、互いに近い位置に吊り下げられました。これらは「ソース」質量と呼ばれます。これらの大きな鉛球の引力により、ワイヤーがねじれます。このねじれの角度から、キャベンディッシュとその後継者は、テスト質量とソース質量の間に作用する重力を計算することができました。また、各物体の質量がわかっているため、「G」を計算することができます。

同様の方法はキャベンディッシュ以来何世紀にもわたって実験者によって使用されてきたが、必ずしも「G」の値や不確実性の範囲が同じだったわけではないとシュラミンガー氏は言う。そして計算の不確実性に関する不一致は「大きな謎」である。

そのため物理学者たちは、いつかもっと正確な結果に到達できるかもしれない「G」を測定するための新しい方法を考案し続けています。

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今月、デュアル氏が率いるスイスのチームが、周囲のノイズを除去してより正確な結果を生み出す可能性のある新しい技術をネイチャー・フィジックス誌に発表した。

実験装置には、真空チャンバー内に吊り下げられた 2 本の 1 メートルの梁が含まれていました。研究者は、1 本の梁を特定の周波数で振動させました。すると、2 本の梁の間に重力が働くため、もう 1 本の梁も動き始めます。研究チームはレーザー センサーを使用して 2 本の梁の動きを測定し、一方が他方に与える影響に基づいて重力定数を計算しました。

彼らの初期結果では、「G」の値は科学技術データ委員会が推奨する公式値（6.67430×10 ⁻¹¹ m ^3⋅ kg ⁻¹ s ⁻² ）よりも約2.2パーセント高く、不確実性の範囲が比較的大きいことがわかりました。

「私たちの結果は、これまでの実験による『G』の決定とほぼ一致しています。これは、ニュートンが私たちが提示したような状況を考えたことはなかったとしても、ニュートンの法則が私たちの状況にも当てはまることを意味します」とデュアル氏は言う。「将来的には、より正確な結果が得られるでしょう。しかし、現時点では、これは新しい測定です。」

これはゆっくりとした動きではあるが、世界規模の共同作業だと、今回の研究には関わっていないシュラミンガー氏は言う。「大きな『G』に関する論文が出るのは非常に珍しい」ため、今回の研究結果は重力定数の最も正確な測定ではないかもしれないが、宇宙で最も重みのある数学定数の1つに新たなアプローチと新たな測定が加わったことは「興奮している」という。