Menurut legenda, percobaan pertama yang menunjukkan bahwa semua benda jatuh pada tingkat yang sama, terlepas dari massa, dilakukan oleh Galileo Galilei di atas Menara Miring Pisa. Dua benda yang jatuh di medan gravitasi, jika tidak ada (atau mengabaikan) hambatan udara, akan berakselerasi ke tanah dengan kecepatan yang sama. Ini kemudian dikodifikasikan sebagai bagian dari penyelidikan Newton terhadap masalah ini. (Getty Images)

Ilmuwan Mengakui, Dengan Memalukan, Kita Tidak Tahu Seberapa Kuat Kekuatan Gravitasi

Setiap teori fisik memiliki konstanta di dalamnya. Konstanta gravitasi sangat tidak pasti.

Ketika kami pertama kali mulai merumuskan hukum fisik, kami melakukannya secara empiris: melalui eksperimen. Jatuhkan bola dari menara, seperti yang mungkin dilakukan Galileo, dan Anda bisa mengukur seberapa jauh jatuh dan berapa lama untuk menyentuh tanah. Lepaskan pendulum, dan Anda dapat menemukan hubungan antara panjang pendulum dan jumlah waktu yang diperlukan untuk berosilasi. Jika Anda melakukan ini untuk sejumlah jarak, panjang, dan waktu, Anda akan melihat hubungan muncul: jarak benda jatuh sebanding dengan waktu kuadrat; periode bandul sebanding dengan akar kuadrat dari panjang bandul itu.

Tetapi untuk mengubah proporsionalitas itu menjadi tanda yang sama, Anda harus mendapatkan konstanta yang benar itu.

Orbit planet-planet di tata surya bagian dalam tidak persis melingkar, tetapi mereka cukup dekat, dengan Merkurius dan Mars memiliki keberangkatan terbesar dan elips terbesar. Pada pertengahan abad ke-19, para ilmuwan mulai memperhatikan keberangkatan dalam gerakan Merkurius dari prediksi gravitasi Newton, suatu keberangkatan kecil yang hanya dijelaskan oleh Relativitas Umum pada abad ke-20. Hukum gravitasi yang sama, dan konstan, menggambarkan efek gravitasi pada semua skala, dari Bumi ke kosmos. (NASA / JPL)

Dalam contoh-contoh ini, dan juga banyak contoh lainnya, konstanta proporsionalitas terkait dengan G, konstanta gravitasi. Bulan mengorbit Bumi, planet-planet mengorbit Matahari, belokan cahaya akibat pelensaan gravitasi, dan komet kehilangan energi ketika mereka melarikan diri dari Tata Surya seluruhnya sesuai dengan G. Bahkan sebelum Newton datang, pada tahun 1640-an dan 1650-an, para ilmuwan Italia Francesco Grimaldi dan Giovanni Riccioli membuat perhitungan pertama dari konstanta gravitasi, yang berarti itu adalah konstanta fundamental pertama yang pernah ditentukan: bahkan sebelum penentuan kecepatan cahaya Ole Rømer pada tahun 1676.

Hukum Newton tentang Gravitasi Universal telah digantikan oleh relativitas umum Einstein, tetapi mengandalkan konsep aksi instan (kekuatan) di kejauhan, dan sangat mudah. Konstanta gravitasi dalam persamaan ini, G, masih relatif kurang dikenal. (PENGGUNA UMUM WIKIMEDIA DENNIS NILSSON)

Ketika Anda mengambil dua massa di Semesta dan menempatkannya di dekat satu sama lain, mereka menarik. Menurut hukum Newton, berlaku di bawah semua kecuali massa yang paling ekstrim (untuk massa besar) dan kondisi jarak (untuk jarak kecil) di semua alam, kekuatan tarik-menarik terkait dengan dua massa, pemisahan antara mereka, dan G, konstanta gravitasi. Selama berabad-abad, kami telah menyempurnakan pengukuran kami dari banyak konstanta fundamental hingga presisi luar biasa. Kecepatan cahaya, c, diketahui persis: 299.792.458 m / s. Konstanta Planck, ħ, yang mengatur interaksi kuantum, memiliki nilai 1,05457180 × 10 ^ -34 J⋅s, dengan ketidakpastian ± 0,000000013 × 10 ^ -34 J⋅s.

Tapi G? Itu cerita yang sama sekali berbeda.

Apakah seseorang menggunakan perumusan gravitasi Newton atau Einstein, kekuatan gaya ditentukan sebagian oleh nilai konstanta gravitasi, G, yang nilainya harus diukur secara empiris, dan tidak dapat diturunkan dari kuantitas lain mana pun. (ESO / L. CALÇADA)

Pada 1930-an, G diukur menjadi 6,67 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², yang kemudian disempurnakan pada 1940an menjadi 6,673 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², keduanya oleh ilmuwan Paul Heyl. Seperti yang Anda perkirakan, nilainya menjadi lebih baik dan lebih baik dari waktu ke waktu, dengan ketidakpastian turun dari 0,1% menjadi 0,04% hingga hanya 0,012% pada akhir 1990-an, sebagian besar berkat karya Barry Taylor di NIST.

Bahkan, jika Anda mengeluarkan salinan tua dari buklet Particle Data Group, di mana mereka memberikan konstanta fundamental, Anda dapat menemukan nilai untuk G di sana yang terlihat bagus: 6.67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², dengan ketidakpastian hanya 0,00085 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

Nilai-nilai konstanta fundamental, seperti yang dikenal pada tahun 1998, dan diterbitkan dalam buklet 1998 Particle Data Group. (PDG, 1998, BERDASARKAN ER COHEN DAN BN TAYLOR, REV. MOD. PHYS. 59, 1121 (1987))

Tapi kemudian sesuatu yang lucu terjadi.

Belakangan tahun itu, percobaan yang dilakukan menunjukkan nilai yang tidak konsisten tinggi dengan nilai-nilai tersebut: 6,674 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Beberapa tim, menggunakan metode yang berbeda, mendapatkan nilai untuk G yang saling bertentangan pada tingkat 0,15%, lebih dari sepuluh kali ketidakpastian yang dilaporkan sebelumnya.

Bagaimana ini bisa terjadi?

Eksperimen asli untuk mengukur G secara akurat, seperti yang dirancang dan diterbitkan oleh Henry Cavendish, bergantung pada prinsip keseimbangan torsi yang akan berputar dan bergerak berdasarkan gaya tarik gravitasi dari massa terdekat yang diukur dengan baik. (H. CAVENDISH, TRANSAKSI FILOSOFI DARI MASYARAKAT ROYAL LONDON, (BAGIAN II) 88 P.469–526 (21 JUNI 1798))

Pengukuran akurat pertama dari konstanta gravitasi, tidak tergantung pada hal-hal lain yang tidak diketahui (seperti massa Matahari atau massa Bumi), hanya muncul dengan eksperimen Henry Cavendish pada akhir abad ke-18. Cavendish mengembangkan percobaan yang dikenal sebagai keseimbangan torsi, di mana miniatur barbell ditangguhkan oleh kawat, seimbang sempurna. Di dekat masing-masing massa di kedua ujungnya ada dua massa yang lebih besar, yang secara gravitasi akan menarik massa kecil. Jumlah puntir yang dialami bar miniatur, selama massa dan jarak diketahui, akan memungkinkan kita untuk mengukur G, konstanta gravitasi, secara eksperimental.

Meskipun banyak kemajuan dalam fisika selama 200+ tahun terakhir, prinsip yang sama yang digunakan dalam eksperimen Cavendish asli terus digunakan hingga saat ini dalam pengukuran G. Ada, pada 2018, tidak ada teknik pengukuran atau pengaturan eksperimental yang memberikan hasil yang unggul . (CHRIS BURKS (CHETVORNO) / WIKIMEDIA COMMONS)

Sangat diduga bahwa salah satu faktor utama yang berperan adalah faktor psikologis bias konfirmasi yang terkenal. Jika semua kolega Anda mendapatkan pengukuran seperti 6.67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², Anda mungkin berharap mendapatkan sesuatu seperti 6.67224 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², atau 6.67293 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², tetapi jika Anda mendapatkan sesuatu seperti 6.67532 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², Anda mungkin akan menganggap Anda melakukan sesuatu yang salah.

Anda akan mencari kemungkinan sumber kesalahan, sampai Anda menemukan satu. Dan Anda akan melakukan percobaan berulang kali, sampai Anda mendapatkan sesuatu yang masuk akal: sesuatu yang setidaknya konsisten dengan 6,67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

Pada tahun 1997, tim Bagley dan Luther melakukan percobaan keseimbangan torsi yang menghasilkan hasil 6,674 x 10 ^ -11 N / kg² / m², yang dianggap cukup serius untuk menimbulkan keraguan pada signifikansi yang dilaporkan sebelumnya tentang penentuan G.. (DBACHMANN / WIKIMEDIA COMMONS)

Inilah sebabnya mengapa itu sangat mengejutkan, pada tahun 1998, ketika sebuah tim yang sangat hati-hati mendapatkan hasil yang berbeda dengan 0,15% yang spektakuler dari hasil sebelumnya, ketika kesalahan pada hasil sebelumnya diklaim lebih dari faktor sepuluh di bawah ini. perbedaan itu. NIST merespons dengan membuang ketidakpastian yang dinyatakan sebelumnya, dan nilai-nilai tiba-tiba terpotong untuk memberikan paling banyak empat angka penting, dengan ketidakpastian yang jauh lebih besar.

Saldo torsi dan pendulum torsi, keduanya terinspirasi oleh percobaan Cavendish asli, terus memimpin dalam pengukuran G, melampaui teknik eksperimen interferometri atom yang lebih baru. Bahkan, baru minggu lalu, sebuah tim dari Tiongkok mengklaim mendapatkan pengukuran G paling tepat dari dua pengukuran independen: 6.674184 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² dan 6.674484 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², dengan ketidakpastian masing-masing hanya 11 bagian per juta.

Dua metode pengaturan eksperimental yang diterbitkan pada akhir Agustus, 2018, di Nature, yang menghasilkan pengukuran G yang paling akurat (diklaim) hingga saat ini. (Q. LIU ET AL., NATURE VOL. 560, 582-588 (2018))

Nilai-nilai ini mungkin setuju satu sama lain dalam dua standar deviasi, tetapi mereka tidak setuju dengan pengukuran lain yang dilakukan oleh tim lain selama 15 tahun terakhir, yang berkisar dari setinggi 6,6757 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² dan serendah 6,6719 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Sementara konstanta fundamental lainnya diketahui dengan presisi di mana saja antara 8 dan 14 digit signifikan, ketidakpastian berada di mana saja dari ribuan hingga miliaran kali lebih besar dalam hal G.

Transisi atom dari orbital 6S, Delta_f1, adalah transisi yang mendefinisikan meter, detik, dan kecepatan cahaya. Perhatikan bahwa konstanta kuantum mendasar yang menggambarkan Alam Semesta kita dikenal ribuan kali lebih unggul daripada G, konstanta pertama yang pernah diukur. (A. FISCHER ET AL., JURNAL MASYARAKAT AKUSTIK AMERIKA (2013))

Konstanta gravitasi alam semesta, G, adalah konstanta pertama yang pernah diukur. Namun lebih dari 350 tahun setelah kami pertama kali menentukan nilainya, sungguh memalukan betapa tidak dikenalnya, dibandingkan dengan semua konstanta lainnya, pengetahuan kami tentang hal ini. Kami menggunakan konstanta ini dalam seluruh pengukuran dan perhitungan, dari gelombang gravitasi hingga waktu pulsar hingga ekspansi Semesta. Namun kemampuan kita untuk menentukannya berakar pada pengukuran skala kecil yang dilakukan di Bumi. Sumber-sumber ketidakpastian terkecil, dari kepadatan material hingga getaran seismik di seluruh dunia, dapat menjalin jalan mereka ke dalam upaya kami untuk menentukannya. Sampai kita dapat melakukan yang lebih baik, akan ada ketidakpastian yang melekat, besar dan tidak nyaman di mana pun fenomena gravitasi itu penting. Ini tahun 2018, dan kita masih belum tahu seberapa kuat gravitasi sebenarnya.

Starts With A Bang sekarang ada di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.