Newton položil základy gravitácie pred viac než 340 rokmi. Fyzikom však stále nesedí jedno číslo, na ktorom stojí celý vesmír
Gravitačná konštanta patrí medzi najdôležitejšie čísla vo fyzike, objavuje sa vo výpočtoch pohybu planét, hviezd, galaxií aj čiernych dier. Ani po viac ako 340 rokoch však nepoznáme jej presnú hodnotu.
Newton opísal gravitáciu ešte v 17. storočí, Einstein jej dal úplne nový význam a dnešná fyzika na nej stojí prakticky celá. Napriek tomu vedci po viac ako 340 rokoch stále nepoznajú gravitáciu tak presne, ako by čakali. Problém nespočíva v tom, že by nevedeli, čo gravitácia robí. Problém spočíva v jedinom čísle.
Takzvaná gravitačná konštanta, označovaná ako veľké G, patrí medzi najdôležitejšie čísla vo fyzike, píše portál Space. Objavuje sa vo výpočtoch pohybu planét, hviezd, galaxií aj čiernych dier. Bez nej by nefungovali Newtonove rovnice ani Einsteinova všeobecná relativita. Vedci však dodnes neurčili jej hodnotu s takou presnosťou, akú dosiahli pri ostatných fundamentálnych konštantách. A práve to začína časť fyzikov dosť iritovať.
„G predstavuje najlepšie strážené tajomstvo gravitácie,“ povedal fyzik Stephan Schlamminger z amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie (NIST): „Ide o jednu z veľkých nevyriešených hanieb fyziky.“
Prečo je gravitačná konštanta taká problematická?
Na prvý pohľad pritom celé meranie nepôsobí ako jeden obrovský problém, vedci v podstate zisťujú len to, ako silno sa dve hmotné telesá priťahujú. Lenže gravitácia patrí medzi extrémne slabé sily. Elektromagnetická sila ju úplne prevalcuje a problém ešte zhorší fakt, že gravitáciu nevieš odstieniť.
Magnetické pole zablokuješ vhodným materiálom. Elektrické rušenie obmedzíš klietkou alebo izoláciou. Gravitačné pole však prenikne cez všetko. Každý predmet okolo teba neustále priťahuje každý iný predmet. Aj steny laboratória, autá pred budovou alebo pohyb ľudí dokážu jemne ovplyvniť výsledok.
Práve preto sa hodnota veľkého G rozchádza viac, než by fyzici čakali. Dnes existuje približne 17 veľmi presných meraní gravitačnej konštanty, no výsledky do seba stále dokonale nezapadli.
Neprehliadni
„Máme sedemnásť meraní G a stále sa rozptyľujú viac, než by mali. Nikto nevie prečo,“ priznal Schlamminger.
Znie to síce ako detail, lenže fyzika stojí práve na takýchto detailoch. Ak sa fundamentálne číslo v rovniciach správa nepresne, znamená to dve možnosti. Buď vedci niekde robia systematickú chybu, alebo gravitácii stále úplne nerozumejú.
Zaujímavé pritom je, že táto neistota v praxi nespôsobuje chaos pri letoch do vesmíru ani pri navigácii satelitov. Keď NASA plánuje dráhy sond smerujúcich k Marsu alebo za hranice slnečnej sústavy, nepoužíva samotnú konštantu G oddelene. Vedci namiesto toho pracujú s takzvaným štandardným gravitačným parametrom, teda súčinom gravitačnej konštanty a hmotnosti planéty.
Práve tento parameter dokázali astronómovia zmerať extrémne presne pomocou pohybu satelitov a planét. Výskumníci vysvetľujú, že veľmi presne vieme, ako silno Zem priťahuje objekty vo svojom okolí, no stále úplne nevieme, aký podiel z tejto sily tvorí samotná gravitačná konštanta a aký podiel predstavuje presná hmotnosť Zeme.
Aj preto GPS satelity nezačnú z ničoho nič padať z obežnej dráhy. Družiciam totiž v praxi stačí, že fyzici veľmi presne poznajú výsledné gravitačné zrýchlenie a trajektórie objektov.
Desaťročný pokus mal nezhody okolo gravitačnej konštanty vyriešiť
Schlamminger preto strávil desať rokov pokusom, ktorý mal chaos okolo gravitačnej konštanty trochu upratať. Jeho tím v americkom Marylande nadviazal na starší experiment Medzinárodného úradu pre miery a váhy vo Francúzsku. Vedci použili extrémne citlivú torznú váhu, teda zariadenie schopné zachytiť aj minimálne gravitačné priťahovanie medzi kovovými guľami.
Práve podobné zariadenie použil už v roku 1798 britský vedec Henry Cavendish pri prvom slávnom meraní gravitácie. Až komicky dobre si uvedomoval, aké citlivé jeho zariadenie bolo. Svoj experiment preto uzamkol do drevenej kôlne bez okien a samotné meranie sledoval zvonku cez malé otvory pomocou ďalekohľadov. Bál sa totiž, že teplo jeho tela alebo obyčajný pohyb v miestnosti by mohol výsledky pokaziť.
V podstate tak vytvoril jedno z prvých „diaľkových meraní“ v dejinách modernej fyziky. Najzaujímavejšia časť moderného experimentu však nesúvisela so samotnou fyzikou, ale s psychológiou.
Vedci sa totiž báli takzvaného „intelektuálneho uzamknutia“. Ide o jav, pri ktorom výskumník podvedome upraví experiment tak, aby výsledok sedel s očakávaniami alebo staršími meraniami, pričom by nešlo o úmyselnú zmenu. Mozog jednoducho začne preferovať známe čísla.
Výskumníci použili tento trik, aby dosiahli čo najväčšiu objektivitu merania
Schlamminger preto pripravil nezvyčajný trik. Kolegovia tajne pridali ku všetkým hmotnostiam v experimente neznámu odchýlku. Skutočné číslo zamkli do obálky a tím ho nepoznal počas celého merania. Vedci tak netušili, akú hodnotu gravitačnej konštanty vlastne dostávajú. Obálku otvorili až po rokoch kontrol a opráv.
Samotné otvorenie meškalo dva roky. Schlamminger totiž neskôr zistil, že vo výpočtoch zabudol zohľadniť jemný efekt atmosférického tlaku. Aj taká drobnosť ale dokázala zamiešať výsledkami. Nakoniec tím získal hodnotu gravitačnej konštanty, ktorá sa mierne líšila od oficiálne uznávanej hodnoty CODATA. Rozdiel vyzeral smiešne malý, iba 0,000064. Lenže pri gravitačných výpočtoch aj mikroskopická odchýlka vytvorí obrovské následky.
Ak by nové meranie platilo, Zem by podľa výpočtov vážila asi o 320 kvintiliónov kilogramov viac, než uvádzajú dnešné tabuľky. V bežných číslach ide približne o 360 kvadriliónov ton navyše.
Samozrejme, planéta zrazu nepribrala, zmenilo sa len naše meranie. Časť fyzikov navyše začína rozmýšľať nad tým, či problém nespočíva hlbšie. Niektoré alternatívne teórie gravitácie alebo hypotézy spojené s teóriou strún totiž pripúšťajú možnosť, že gravitačná konštanta nemusí byť úplne nemenná. Teoreticky by mohla veľmi jemne kolísať v čase alebo priestore.
Ak by sa niečo také raz potvrdilo, vysvetlilo by to, prečo rôzne laboratóriá v rôznych obdobiach získali mierne odlišné výsledky. Zatiaľ však neexistujú dôkazy, ktoré by takúto predstavu potvrdili.
Celý problém zároveň pripomína ešte jednu veľkú slabinu modernej fyziky. Gravitácia zostáva jedinou základnou silou, ktorú fyzici dodnes nespojili s kvantovou mechanikou do jednej spoločnej teórie. Elektromagnetická sila aj jadrové interakcie už kvantový opis dostali. Gravitácia stále odoláva.
„Záhada sa nevyriešila,“ povedal Schlamminger: „Nezhoda medzi experimentmi stále zostala a čaká na vysvetlenie.“
Fyzici preto pokračujú ďalej, lebo príliš veľa moderných teórií stojí na čo najpresnejších číslach. A pri veľkom G stále nikto nezískal posledné slovo.
