Загадка силы тяжести

Из четырех фундаментальных сил природы гравитация — та, которую мы ощущаем наиболее непосредственно: именно она удерживает наши ноги на земле, а Солнце — на небосводе. И всё же мы до сих пор не можем определить её точную силу. Начиная с 1980-х годов ученые провели более дюжины измерений, чтобы вычислить точное значение гравитации, и многие из этих чисел противоречат друг другу.

Так почему же так сложно выяснить, насколько сильна гравитация?

Одна из проблем в том, что гравитация слаба. Она кажется мощной, потому что мы постоянно чувствуем притяжение Земли. Но сила гравитационного взаимодействия между любыми двумя объектами в повседневной жизни — или любыми двумя объектами, которые могут поместиться в экспериментальной лаборатории, — необычайно мала.

«Она слаба, и измерять её приходится на фоне гравитационного поля Земли, — рассказал Live Science Стефан Шламмингер, физик из Национального института стандартов и технологий. — Для измерения гравитации мы вынуждены использовать повседневные предметы, потому что только у них мы точно знаем массу. В лаборатории нужно взять две массы с точно известными параметрами, сблизить их и измерить силу взаимодействия между ними».

В исследовании, проведенном в апреле 2026 года, Шламмингер и его коллеги повторили высокоточный эксперимент по определению силы тяжести и получили значение, отличное от предыдущего результата. Для эксперимента они использовали 13 тонн ртути, но даже в этом случае «изменение гравитационного поля составило всего лишь одну миллионную от того изменения, которое мы имеем здесь от местной гравитации», — пояснил он.

Значение, полученное командой, составило 6,67387×10⁻¹¹ м³·кг⁻¹·с⁻², что на 0,0235% ниже предыдущего результата — ничтожная разница в бытовом понимании, но весьма значимая в области метрологии.

Кристиан Ротлейтнер, физик из Немецкого национального института метрологии, в 2017 году стал соавтором всеобъемлющего обзора всех измерений гравитации вместе со Шламмингером, но в новом исследовании участия не принимал.

«Эту крошечную силу необходимо определить с точностью до шестого знака после запятой и выше, — сообщил Ротлейтнер Live Science по электронной почте. — Это равносильно попытке измерить вес семи человеческих клеток».

Физика, инженерия и психология

Одно из объяснений расхождения в значениях может заключаться в том, что все измерения настолько неточны, что истинное значение лежит где-то посередине. Однако каждый эксперимент сообщает о малой погрешности, и эти диапазоны не пересекаются.

Шламмингер видит три возможные причины.

«У меня есть для этого удобная аббревиатура: это ФИП: Ф — физика, И — инженерия, П — психология, — поделился он. — Расположены по степени интригующей увлекательности».

Наименее вероятное объяснение, по его словам, связано с физикой: возможно, существует какой-то элемент физики, которого ученые пока не понимают. Подобно тому, как общая теория относительности расширила понимание гравитации, могла остаться ещё одна область физики, которую только предстоит открыть.

«Я считаю это маловероятным, но исключать не стоит», — сказал Шламмингер.

Затем следует инженерное объяснение: каждый эксперимент использует немного отличающуюся установку, что приводит к разным значениям. Одни применяют крутильные весы — устройство, измеряющее малые силы по закручиванию тонкой нити. Другие используют маятники или свободно падающие предметы. У каждого метода есть свои потенциальные источники ошибок, и эти ошибки трудно отделить от гравитационного сигнала.

«Лично я не верю, что причина кроется в физике. Скорее, в измерительной технологии», — заметил Ротлейтнер.

Человеческий фактор — еще одна составляющая инженерного объяснения. «Такой эксперимент требует экспертных знаний во многих областях физики и измерительной техники, — пояснил он. — Невозможно быть экспертом сразу во всех этих дисциплинах. Такого рода измерения находятся на переднем крае измерительной науки».

Наиболее вероятная возможность, по мнению Шламмингера, связана с психологией.

«У людей, которые измеряют эти величины, есть стимул давать действительно очень маленькие значения неопределенности — то есть погрешности, — потому что это делает их знаменитыми, — говорит он. — Из-за этого давления погрешности могут быть заявлены чуть меньше, чем есть на самом деле, и поэтому результаты не согласуются друг с другом».

В конечном счете, однако, точное измерение гравитации может и не иметь решающего значения для практики. Мы знаем произведение гравитационной постоянной на массу Земли, и этого достаточно для прикладных задач вроде запуска ракет в космос. Возможно, пока нам этого довольно.

«Значение гравитационной постоянной Ньютона представляет скорее академический интерес, — говорит Ротлейтнер. — Если бы оно было критически важным, государства потратили бы гораздо больше усилий на его уточнение».

Шламмингера, однако, это всё равно восхищает. «Мы живем в обществе, где считается, что всё уже открыто, — сказал он. — Но если присмотреться, всё еще существует terra incognita. Остаются проблемы, пусть и небольшие, но это задачи, которые мы можем решать, вносить свой вклад и находить их завораживающими и интригующими. И это одна из таких проблем».

Пока научное сообщество спорит о методологии, в тени мейнстримных теорий зреют куда более дерзкие гипотезы. Некоторые физики предполагают, что гравитация «утекает» в дополнительные измерения пространства-времени, существование которых предсказывается теорией струн. Если наш мир — это лишь «брана», плавающая в многомерном пространстве, то слабость гравитации объясняется тем, что она распределяется по всем измерениям, в то время как электромагнетизм заперт в нашем трехмерном мире.

Другие исследователи обращаются к космосу в поисках ключа к разгадке. Постоянны ли фундаментальные константы на самом деле? Существуют астрофизические наблюдения, указывающие на то, что миллиарды лет назад гравитация могла вести себя иначе. Если гравитационная постоянная медленно меняется по мере старения Вселенной, лабораторные попытки уловить её «портрет» в конкретный момент времени всегда будут напоминать стрельбу по движущейся мишени.

Парадокс измерения гравитации обнажает любопытную дилемму науки: мы с невероятной точностью научились измерять то, что огромно, и то, что микроскопично, но «средний мир» человеческих масштабов, где сила взаимодействия между двумя лабораторными шарами в миллиарды раз слабее магнита на холодильнике, ставит нас в тупик.

Возможно, решение головоломки потребует не просто нового прибора, а переосмысления того, чем на самом деле является масса и как она взаимодействует с тканью реальности. Пока же сила, удерживающая галактики от распада, продолжает ускользать от точной линейки инженеров-метрологов, напоминая нам, что даже в эпоху квантовых компьютеров природа неохотно расстается со своими самыми фундаментальными секретами.