Enligt legenden utfördes det första experimentet som visade att alla föremål föll i samma takt oberoende av massa av Galileo Galilei ovanpå det lutande tornet i Pisa. Alla två föremål som tappas i ett gravitationsfält, i frånvaro av (eller försummande) luftmotstånd, kommer att accelerera ner till marken med samma takt. Detta kodifierades senare som en del av Newtons utredningar i frågan. (Getty Images)

Forskare medger, pinsamt, att vi inte vet hur stark tyngdkraften är

Varje fysisk teori har konstanter i den. Gravitationskonstanten är anmärkningsvärt osäker.

När vi först började formulera fysiska lagar gjorde vi det empiriskt: genom experiment. Släpp en boll från ett torn, som Galileo kan ha gjort, och du kan mäta både hur långt den faller och hur lång tid det tar att träffa marken. Släpp en pendel, så kan du hitta ett samband mellan pendelens längd och den tid det tar att svänga. Om du gör detta under ett antal avstånd, längder och tider, ser du att ett förhållande dyker upp: avståndet för ett fallande objekt är proportionellt mot den kvadratiska tiden; perioden för en pendel är proportionell mot kvadratroten av pendelns längd.

Men för att förvandla dessa proportioner till ett lika tecken måste du få den ständiga rätten.

Planeternas banor i det inre solsystemet är inte exakt cirkulära, men de är ganska nära, med Merkurius och Mars med de största avgångarna och de största ellipticiteterna. I mitten av 1800-talet började forskare att märka avvikelser i rörelse av Merkurius från förutsägelserna av Newtonian gravitation, ett litet avvikelse som först förklarades av General Relativity på 1900-talet. Samma gravitationslag, och konstant, beskriver gravitationens effekter på alla skalor, från jorden till kosmos. (NASA / JPL)

I dessa exempel, liksom många andra, är att konstant av proportionalitet är relaterad till G, gravitationskonstanten. Månen kretsar runt jorden, planeterna går i solen, ljusböjningar på grund av gravitationslinsning och kometer tappar energi när de flyr från solsystemet i proportion till G. Även innan Newton kom med, på 1640- och 1650-talet, italienska forskare Francesco Grimaldi och Giovanni Riccioli gjorde de första beräkningarna av gravitationskonstanten, vilket innebar att det var den första grundläggande konstanten som någonsin bestämts: även före Ole Rømers bestämning av ljusets hastighet 1676.

Newtons lag om universell gravitation har ersatts av Einsteins allmänna relativitet, men förlitade sig på begreppet en omedelbar handling (kraft) på avstånd och är otroligt enkel. Gravitationskonstanten i denna ekvation, G, är fortfarande endast relativt dåligt känd. (WIKIMEDIA COMMONS ANVÄNDARE DENNIS NILSSON)

När du tar två massor i universum och placerar dem i närheten av varandra, lockar de. Enligt Newtons lagar, giltiga under alla utom den mest extrema massan (för stora massor) och avstånd (för små avstånd) förhållanden i hela naturen, är attraktionskraften relaterad till de två massorna, separationen mellan dem och G, gravitationskonstanten. Under århundradena har vi förfinat våra mätningar av många grundläggande konstanter till enorm precision. Ljushastigheten, c, är exakt känd: 299,792,458 m / s. Plancks konstant, ħ, som styr kvantinteraktioner, har ett värde av 1.05457180 × 10 ^ -34 J⋅s, med en osäkerhet på ± 0.000000013 × 10 ^ -34 J⋅s.

Men G? Det är helt annorlunda.

Oavsett om man använder Newtons eller Einsteins tyngdformulering bestäms styrkans styrka delvis av värdet på en gravitationskonstant, G, vars värde måste mätas empiriskt och inte kan härledas från någon annan kvantitet. (ESO / L. CALÇADA)

På 1930-talet mättes G till 6,67 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², senare förfinades på 1940-talet till 6,673 × 10 ^ -11 N / kg²m², båda av forskaren Paul Heyl. Som man kan förvänta sig blev värdena bättre och bättre genom tiden, med osäkerheterna som sjönk från 0,1% till 0,04% hela vägen ner till bara 0,012% i slutet av 1990-talet, främst på grund av Barry Taylors arbete på NIST.

Om du faktiskt drar ut en gammal kopia av broschyren Particle Data Group, där de ger de grundläggande konstanterna, kan du hitta ett värde för G där inne som ser bra ut: 6,67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², med en osäkerhet på bara 0,00085 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

Värdena på de grundläggande konstanterna, som de var kända 1998, och publicerades i Particle Data Groups broschyr från 1998. (PDG, 1998, BASERAD PÅ ER COHEN OCH BN TAYLOR, REV. MOD. PHYS. 59, 1121 (1987))

Men då hände något roligt.

Senare samma år indikerade experiment som genomfördes ett värde som var inkonsekvent högt med dessa värden: 6,674 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Flera team, med olika metoder, fick värden för G som var i konflikt med varandra på 0,15%, mer än tio gånger de tidigare rapporterade osäkerheterna.

Hur hände det här?

Det ursprungliga experimentet för att mäta G exakt, såsom designat och publicerat av Henry Cavendish, förlitar sig på principen om en torsionsbalans som kommer att vridas och röra sig baserat på gravitationsattraktionen hos en närliggande, väl uppmätt massa. (H. CAVENDISH, FILOSOFISKA TRANSAKTIONER AV LONDONS ROYAL SOCIETY, (DEL II) 88 s.469–526 (21 JUNI 1798))

Den första exakta mätningen av gravitationskonstanten, oberoende av andra okända (som solens massa eller jordens massa), kom först med Henry Cavendishs experiment i slutet av 1700-talet. Cavendish utvecklade ett experiment känt som en torsionsbalans, där en miniatyr skivstång hängdes av en tråd, perfekt balanserad. Nära var och en av massorna i vardera änden fanns två större massor, som gravitationsmässigt skulle locka till de små massorna. Mängden torsion som miniatyrskivstången upplevde, så länge massorna och avstånden var kända, skulle tillåta oss att mäta G, gravitationskonstanten, experimentellt.

Trots många framsteg inom fysik under de senaste 200 + åren fortsätter samma princip som användes i det ursprungliga Cavendish-experimentet idag vid mätningar av G. Det finns, från och med 2018, ingen mätteknik eller experimentell installation som ger överlägsna resultat . (CHRIS BURKS (CHETVORNO) / WIKIMEDIA COMMONS)

Det misstänks starkt att en av de viktigaste faktorerna i spelet var den välkända psykologiska faktorn för bekräftelsebias. Om alla dina kollegor får mått som 6.67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², kan du rimligen förvänta dig att få något liknande 6.67224 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², eller 6.67293 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², men om du fick något som 6.67532 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², skulle du antagligen anta att du gjorde något fel.

Du letade efter möjliga felkällor tills du hittade en. Och du skulle utföra experimentet om och om igen, tills du fick något rimligt: ​​något som åtminstone var förenligt med 6.67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

1997 genomförde teamet av Bagley och Luther ett torsionsbalansförsök som gav ett resultat av 6,674 x 10 ^ -11 N / kg² / m², vilket togs tillräckligt på allvar för att sätta tvivel om den tidigare rapporterade betydelsen av bestämningen av G. (DBACHMANN / WIKIMEDIA COMMONS)

Det var därför det var en sådan chock 1998, då ett mycket noggrant team fick ett resultat som skilde sig med en spektakulär 0,15% från de tidigare resultaten, när felen på de tidigare resultaten hävdades vara mer än en faktor tio nedan den skillnaden. NIST svarade genom att kasta ut de tidigare angivna osäkerheterna och värden plötsligt trunkerades för att ge högst fyra betydande siffror, med mycket större osäkerheter bifogade.

Torsionsbalanser och torsionspendlar, båda inspirerade av det ursprungliga Cavendish-experimentet, fortsätter att leda vägen i mätningar av G, vilket överträffar den nyare tekniken för atominterferometri-experiment. Faktum är att precis från förra veckan hävdade ett team från Kina att få den mest exakta mätningen av G ännu från två oberoende mätningar: 6.674184 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² och 6.674484 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², med osäkerheter på bara 11 delar per miljon på vardera.

De två metoderna för experimentell installation publicerade i slutet av augusti, 2018, i Nature, vilket gav de mest exakta (hävdade) mätningarna av G hittills. (Q. LIU ET AL., NATUR VOL. 560, 582–588 (2018))

Dessa värden kan överensstämma med varandra till inom två standardavvikelser, men de håller inte med andra mätningar som utförts av andra lag under de senaste 15 åren, som sträcker sig från så höga som 6.6757 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² och så lågt som 6,6719 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Medan de andra grundläggande konstanterna är kända för precisionsförhållanden mellan 8 och 14 betydande siffror, är osäkerheterna överallt från tusentals till miljarder gånger större när det gäller G.

Den atomiska övergången från 6S-omloppet, Delta_f1, är övergången som definierar mätaren, den andra och ljusets hastighet. Observera att de grundläggande kvantkonstanter som beskriver vårt universum är kända för många tusentals gånger överlägsen noggrannhet än G, den första konstanten som någonsin har uppmättts. (A. FISCHER ET AL., JOURNAL OF THE ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA (2013))

Universitetets gravitationskonstant, G, var den första konstanten som någonsin mättes. Ändå mer än 350 år efter att vi först bestämde dess värde, är det verkligen pinsamt hur dåligt känt, jämfört med alla andra konstanter, vår kunskap om den här är. Vi använder denna konstant i en hel mängd mätningar och beräkningar, från gravitationsvågor till pulsartiming till universums expansion. Ändå är vår förmåga att bestämma den förankrad i småskaliga mätningar gjorda här på jorden. De minsta källorna till osäkerhet, från materialens täthet till seismiska vibrationer över hela världen, kan väva sig in i våra försök att bestämma det. Tills vi kan göra bättre kommer det att finnas en inneboende, obehagligt stor osäkerhet var som helst gravitationsfenomenet är viktigt. Det är 2018, och vi vet fortfarande inte hur stark tyngdekraft faktiskt är.

Starts With A Bang är nu på Forbes och publiceras på Medium tack vare våra Patreon-supportrar. Ethan har författat två böcker, Beyond The Galaxy, och Treknology: The Science of Star Trek från Tricorders till Warp Drive.