Das wissenschaftliche Forschungsteam des National Institute of Standards and Technology (NIST) gab kürzlich die Ergebnisse eines zehnjährigen Experiments bekannt, das der Gravitationskonstante „G“, einer der grundlegendsten und am schwierigsten genau zu messenden Konstanten in der Physik, einen neuen Wert gab und einen möglichen Grund für die langfristige „Ungenauigkeit“ von Schwerkraftmessungen aufdeckte.
Die Schwerkraft ist die schwächste der vier grundlegenden Wechselwirkungen in der Natur und daher eine der physikalischen Größen, die am schwierigsten genau zu messen ist. Der NIST-Physiker Stephan Schlamminger sagte, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft die Gravitationskonstante seit mehr als 200 Jahren verfolgt, die Streuung der vorhandenen 16 Hauptmessergebnisse jedoch immer noch sehr groß ist, mit einer typischen Unsicherheit von etwa 10 Teilen pro Million, was weit unter dem Genauigkeitsniveau anderer Grundkonstanten liegt.
Die Gravitationskonstante, in der Physik auch „Big G“ genannt, beschreibt die Stärke der Gravitationskraft zwischen zwei Massen. Für das tägliche Leben der Öffentlichkeit werden kleine Änderungen von G keine spürbaren Auswirkungen haben, aber für Physiker wird die weitestgehende Fixierung des genauen Werts dazu beitragen, die Natur der Schwerkraft besser zu verstehen und die Erforschung einer einheitlichen physikalischen Theorie zu fördern.
In dieser Arbeit entschied sich Schrammingers Team dafür, den experimentellen Weg zu wiederholen, anstatt ihn komplett umzudrehen und eine neue Lösung zu entwerfen. Sie transportierten die gleiche Ausrüstung, die in einem berühmten Experiment zur Gravitationskonstanten verwendet wurde, das 2014 am International Bureau of Weights and Measures (BIPM) in Frankreich durchgeführt wurde, von Frankreich zum NIST-Labor in Gaithersburg, Maryland, USA, um zu versuchen, das Experiment in verschiedenen Umgebungen zu reproduzieren und zu untersuchen, ob in den Ergebnissen dieses Jahres systematische Verzerrungen verborgen waren.
Das BIPM-Experiment im Jahr 2014 ergab einen der „abweichendsten“ G-Werte zu dieser Zeit, daher wird erwartet, dass das Replikationsexperiment die Details hinter solchen abnormalen Ergebnissen enthüllt. Das NIST-Team begann 2016 offiziell mit den Messarbeiten. Das gesamte Projekt dauerte 10 Jahre. Es handelte sich nicht nur um eine wissenschaftliche Messung, sondern auch um eine langfristige Verbesserung der hochpräzisen Technologie zur Messung schwacher Kräfte.
Die neuesten veröffentlichten Daten zeigen, dass der vom Team angegebene Wert der Gravitationskonstante beträgt6,67387±0,00038×10−11m3kg−1s−2, die relative Standardunsicherheit beträgt5,7×10−5. Im Vergleich zu den BIPM-Versuchsergebnissen aus dem Jahr 2014 liegt dieser Wert etwa 0,0235 % niedriger. Im Bereich der hochpräzisen Messung ist dieser Unterschied nicht zu vernachlässigen. Gleichzeitig liegt das Ergebnis auch etwas unter dem von CODATA 2018 empfohlenen G-Wert, es ist jedoch immer noch schwierig, die Ursache der Abweichung eindeutig zu erklären.
Noch bahnbrechender ist, dass die Forscher bei der wiederholten Ableitung der experimentellen Bedingungen einen Faktor entdeckten, der zuvor oft ignoriert wurde – den Einfluss der Restluft in der Vakuumkammer. Um Interferenzen so weit wie möglich zu eliminieren, muss das Experiment laut Entwurf in einer nahezu perfekten Vakuumumgebung durchgeführt werden. Das Team stellte jedoch fest, dass unabhängig davon, wie das Gas gepumpt wird, immer eine kleine Menge Gas im Behälter verbleibt und den sogenannten „Vakuumdruck“ bildet.
Dieses Restgas übt eine äußerst geringe Kraft auf das Versuchsgerät aus und beeinflusst dadurch den endgültig gemessenen G-Wert. Allerdings wurde dieser Effekt in der Analyse vieler bisheriger Experimente nicht systematisch berücksichtigt. Schramminger wies darauf hin, dass diese Entdeckung voraussichtlich dazu beitragen wird, zu erklären, warum die in verschiedenen Experimenten ermittelten G-Werte seit langem inkonsistent sind, aber es ist noch zu früh, um Schlussfolgerungen zu ziehen. Es ist auch notwendig, jeden Versuchsplan einzeln zu überprüfen, um zu überprüfen, wie er mit Details wie Restgas umgeht.
Als er über den Unterschied zwischen den neuen Ergebnissen und den bestehenden anerkannten Werten sprach, sagte Schramminger, dass das Team derzeit eher davon ausgeht, dass die Abweichung eher auf die Überlagerung mehrerer kumulativer Effekte als auf einen einzelnen Faktor zurückzuführen sei. Allerdings sind die Auswirkungen und jeweiligen Gewichte noch nicht genau aufgeschlüsselt. Relevante Forschungsarbeiten wurden in Metrologia, einer Fachzeitschrift auf dem Gebiet der Metrologie, veröffentlicht und einer unabhängigen Faktenprüfung unterzogen.
Diese Arbeit beendete die Debatte über die Gravitationskonstante nicht, zeigte aber deutlich die Komplexität des Problems: Auch wenn es zehn Jahre dauerte, das gleiche Gerät wiederverwendet und sorgfältig in verschiedenen Labors gearbeitet wurde, unterschied sich der endgültige G-Wert immer noch deutlich von früheren Ergebnissen. Aus Sicht der wissenschaftlichen Gemeinschaft ist dies sowohl ein Rückschlag als auch eine Motivation – es erinnert Forscher daran, dass, wenn sie diese „vertrauteste und unbekannteste“ Naturkonstante vollständig verstehen wollen, immer detailliertere Experimente, längerfristige Persistenz und akutere Fehlererkennungsfähigkeiten erforderlich sind.