米国立標準技術研究所（NIST）の科学研究チームは最近、10年間にわたる実験の結果を発表した。この実験では、物理学において最も基本的で正確に測定するのが難しい定数の1つである重力定数「G」に新しい値が与えられ、重力測定の長期的な「不正確さ」の潜在的な理由が明らかになった。
重力は自然界の 4 つの基本的な相互作用の中で最も弱いため、正確に測定することが最も難しい物理量の 1 つです。 NISTの物理学者ステファン・シュラミンジャー氏は、科学界は200年以上重力定数を追跡してきたが、既存の16の主要な測定結果のばらつきは依然として非常に大きく、典型的な不確かさは約10ppmで、他の基本定数の精度レベルに比べてはるかに劣っていると述べた。
物理学界では「ビッグ G」としても知られる重力定数は、2 つの質量間の重力の強さを表します。一般の日常生活にとって、G の小さな変化は目に見える影響を与えませんが、物理学者にとっては、その正確な値を可能な限り固定することは、重力の性質をさらに理解し、統一された物理理論の探求を促進するのに役立ちます。
この研究において、シュラミンジャー氏のチームは、完全に覆して新しいソリューションを設計するのではなく、実験的なパスを再現することを選択しました。彼らは、2014年にフランスの国際度量衡局（BIPM）で実施された有名な重力定数実験で使用されたものと同じ装置一式をフランスから米国メリーランド州ゲイサーズバーグにあるNIST研究所に輸送し、異なる環境で実験を再現し、その年の結果に系統的なバイアスが隠されているかどうかを調べた。
2014年のBIPM実験では、当時最も「逸脱した」G値の1つが得られたため、再現実験によってそのような異常な結果の背後にある詳細が明らかになることが期待されている。 NIST チームは 2016 年に測定作業を正式に開始しました。プロジェクト全体は 10 年間続きました。それは単なる科学的な測定ではなく、超精密な弱い力の測定技術の長期にわたる磨きでもありました。
最新の公表データによると、チームが与えた重力定数の値は6.67387±0.00038×10−11m3kg−1s−2、相対標準不確かさは次のようになります。5.7×10−5。 2014年のBIPM実験結果と比較すると、この値は約0.0235%低い値です。高精度測定の分野では、この差は無視できません。同時に、CODATA 2018 が推奨する G 値よりも若干低い結果となっていますが、乖離の原因を明確に説明することはまだ困難です。
さらに画期的なのは、研究者たちが実験条件の推定を繰り返した結果、以前は無視されがちだった要因、つまり真空チャンバー内の残留空気の影響を発見したことです。設計によれば、干渉を可能な限り排除するために、実験は完全に近い真空環境で行う必要がありますが、研究チームは、ガスをどのように汲み上げても、常に容器内に少量のガスが残り、いわゆる「真空圧」を形成することを発見しました。
この残留ガスは実験装置に非常に小さな力を及ぼすため、最終的に測定される G 値に影響を与えます。しかし、この効果は、これまでの多くの実験の分析には体系的に含まれていませんでした。シュラミンジャー氏は、この発見は、さまざまな実験で得られたG値が長い間一貫性がなかった理由を説明するのに役立つと期待されるが、結論を出すにはまだ時期尚早であると指摘した。また、実験計画を一つ一つ見直し、残留ガスなどの細部への対応を検証する必要もあります。
新しい結果と既存の認識された値の違いについて話すとき、シュラミンジャー氏は、チームは現在、その乖離が単一の要因ではなく、複数の累積効果の重ね合わせから生じる可能性があると信じる傾向があると述べた。ただし、どのような効果とそれぞれの重さはまだ正確に分解されていません。関連する研究論文は、計測学の分野のジャーナルである Metrologia に掲載されており、独自に事実確認が行われています。
この研究は重力定数をめぐる議論に終止符を打たなかったが、問題の複雑さを明確に示した。10年かかり、同じ装置を再利用し、異なる研究室で慎重に作業したとしても、最終的なG値は依然として以前の結果と大きく異なっていた。科学界の観点からすると、これは挫折であると同時に動機でもあります。このことは研究者に、この「最もよく知られている、なじみのない」自然定数を完全に理解したいのであれば、より詳細な実験、長期にわたる継続性、そしてより鋭敏なエラー識別能力が必要であることを思い出させます。