Die rätselhafteste Zahl der Physik wird noch mysteriöser

Ein zehnjähriger Versuch, eine der fundamentalsten Konstanten der Physik zu messen, mündet in einen Moment der Ungewissheit und der Offenbarung.

Der Moment war gekommen, den Umschlag zu öffnen, doch Stephan Schlamminger, Ein zehnjähriger Versuch, eine der fundamentalsten Konstanten der Physik zu messen, mündet in einen Moment der Ungewissheit und der Offenbarung.

Der Moment war gekommen, den Umschlag zu öffnen, doch Stephan Schlamminger, ein Physiker des National Institute of Standards and Technology (NIST), zögerte. Im Inneren befand sich eine versteckte Zahl, die das Endergebnis seines zehnjährigen Experiments enthüllen würde.

Seit 10 Jahren konzentrierte sich Schlamminger

Seit 10 Jahren konzentrierte sich Schlamminger auf die Messung der universellen Gravitationskonstante, der Größe, die die Stärke der Schwerkraft im gesamten Universum definiert. Die verborgene Zahl würde es ihm ermöglichen, seine Daten zu entschlüsseln und sein Ergebnis zu bestimmen.

Die Schwerkraft steuert alles, vom Halten unserer Füße am Boden bis hin zum Halten von Planeten in ihrer Umlaufbahn und der Formung von Galaxien und kosmischen Strukturen. Dennoch bleibt ihre Stärke, bekannt als „großes G“, ungewiss.

Trotz ihrer Bedeutung ist es extrem schwierig, großes G genau zu messen. Wissenschaftler haben seit über 225 Jahren daran gearbeitet, seinen Wert zu bestimmen, beginnend etwa ein Jahrhundert nach Isaac Newtons Einführung seines Gravitationsgesetzes.

Auch heute noch ist es die

Auch heute noch ist es die am wenigsten präzise bekannte der vier fundamentalen Kräfte, zu denen auch der Elektromagnetismus sowie die starke und schwache Kernkraft gehören. Eine Herausforderung ist, dass die Schwerkraft viel schwächer ist als die anderen Kräfte.

Ein Magnet in der Größe eines Pinkopfes kann eine Büroklammer anheben und eine Kraft erzeugen, die stärker ist als die gesamte Erdanziehungskraft auf dieses Objekt. Diese Schwäche wird in Laborexperimenten noch problematischer.

Forscher müssen die Anziehung zwischen relativ kleinen Objekten messen, die wiegen und bewegt werden können. Diese Massen sind um etwa 500 Billionen Billionen Mal kleiner als die Erde, daher sind die beteiligten Kräfte extrem schwach.

Obwohl moderne Experimente sehr empfindlich sind,

Obwohl moderne Experimente sehr empfindlich sind, stimmen jüngste Messungen von big G nicht vollständig überein. Die Unterschiede sind gering, etwa ein Teil an 10.000, aber immer noch zu groß, um sie durch normale experimentelle Unsicherheit zu erklären.

Diese Inkonsistenz hat eine beunruhigende Frage aufgeworfen. Sind unsichtbare experimentelle Fehler verantwortlich, oder könnte es ein tieferes Problem mit dem Verständnis der Schwerkraft geben?

Um dies zu untersuchen, unternahmen Schlamminger und sein Team die Nachbildung eines präzisen Experiments, das 2007 vom International Bureau of Weights and Measures (BIPM) in Sèvres, Frankreich, durchgeführt wurde. Wenn sie das gleiche Ergebnis am NIST in Gaithersburg, Maryland, reproduzieren konnten, könnte dies helfen, die Diskrepanz zu lösen.

Um Voreingenommenheit zu vermeiden, unternahm Schlamminger

Um Voreingenommenheit zu vermeiden, unternahm Schlamminger einen ungewöhnlichen Schritt.

Er bat seinen Kollegen Patrick Abbott, die Daten zu verändern, indem er von einigen der gemessenen Massen eine geheime Zahl subtrahiert.

Nur Abbott kannte diesen Wert. Dieser Ansatz stellte sicher, dass Schlamminger das wahre Ergebnis nicht bis zum allerletzten Moment wusste, als er den Umschlag öffnete.

Die große Enthüllung Schlamminger hatte die

Die große Enthüllung Schlamminger hatte die Zahl bereits einmal im Jahr 2022 fast enthüllt, stoppte jedoch, als er bemerkte, dass ihm eine wichtige Korrektur bezüglich des Luftdrucks gefehlt hatte. Am 11.

Juli 2024, um 15 Uhr, sollte er seine Ergebnisse auf der Conference on Precision Electromagnetic Measurements in Aurora, Colorado, präsentieren. Zu nervös, um sich auf die Vormittagssitzungen zu konzentrieren, überprüfte er jeden möglichen Faktor, der die Ergebnisse beeinflussen könnte, einschließlich Temperatur und Druck.

„Ich hatte wirklich jedes Detail des Experiments geprüft“, sagte er. Während seiner Präsentation öffnete er schließlich den Umschlag.

Er verspürte sofortige Erleichterung.

Er verspürte sofortige Erleichterung. Damit seine Erwartungen bestätigt wurden, musste die versteckte Zahl ziemlich groß und negativ sein.

Das war sie. Doch im Laufe des Tages verblasste sein Selbstvertrauen.

Die Zahl war größer als erwartet, was bedeutete, dass seine Ergebnisse nicht mit denen des früheren französischen Experiments übereinstimmten. Nach weiteren zwei Jahren detaillierter Analyse veröffentlichten Schlamminger und seine Mitarbeiter ihre Ergebnisse in Metrologia.

Ihr gemessener Wert für G, 6,67387x10-11

Ihr gemessener Wert für G, 6,67387x10-11 Meter³/Kilogramm/Sekunde², ist 0,0235 % niedriger als das BIPM-Ergebnis. Im Vergleich zu anderen physikalischen Konstanten, die oft mit sechs oder mehr signifikanten Stellen bekannt sind, ist dieser Unterschied bemerkenswert.

Die Differenz ist zu gering, um alltägliche Messungen wie Körpergewicht oder Lebensmittelverpackungen zu beeinflussen. Allerdings haben kleine Abweichungen in der Wissenschaft manchmal zu großen Entdeckungen darüber geführt, wie das Universum funktioniert.

Ein Experiment mit historischen Wurzeln Sowohl die BIPM- als auch die NIST-Experimente stützten sich auf eine Torsionwaage, ein Instrument, das winzige Kräfte misst, indem es die Verdrehung einer dünnen Faser erfasst.

Diese Technik reicht bis ins Jahr

Diese Technik reicht bis ins Jahr 1798 zurück, als der englische Physiker Henry Cavendish sie erstmals nutzte, um den Wert von G zu schätzen.

Cavendish hing einen Holzträger mit kleinen Blei-Kugeln an beiden Enden mithilfe eines dünnen Drahtes. Er platzierte größere Massen in der Nähe.

Die Gravitationsanziehung ließ den Strahl rotieren und verdrehte den Draht, bis die Rückstellkraft den Zug der Schwerkraft ausglich. Durch die Verfolgung dieser Bewegung mit einem Spiegel und Licht konnte er die Konstante berechnen.

Moderne Versionen des Experiments sind weitaus

Moderne Versionen des Experiments sind weitaus fortgeschrittener. In den Aufbauten des BIPM und des NIST wurden acht zylindrische Metallmassen verwendet.

Vier größere Massen waren auf einer rotierenden Struktur angeordnet, während vier kleinere Massen darin aufgehängt waren, auf einer Scheibe, die an einem dünnen Kupfer-Beryllienstreifen von der Dicke eines menschlichen Haares befestigt war. Als die äußeren Massen die inneren anzogen, rotiert und verdrehte das System den Streifen.

Die Messung dieser Bewegung lieferte eine Möglichkeit, G zu berechnen. Die Forscher verwendeten auch eine zweite Methode.

Sie legten Spannungen an Elektroden nahe

Sie legten Spannungen an Elektroden nahe den inneren Massen an und erzeugten so eine elektrostatische Kraft, die dem gravitativen Zug entgegenwirkte. Durch das Anpassen der Spannung, bis das System aufhörte zu rotieren, konnten sie G aus dem elektrischen Gleichgewicht bestimmen.

Schlammingers Team fügte einen weiteren Test hinzu. Sie wiederholten das Experiment mit Kupfer- und Saphirmassen, um zu sehen, ob die Materialzusammensetzung die Ergebnisse beeinflusst.

Die Messungen waren nahezu identisch.

Obwohl diese jahrzehntelange Studie den Unterschied

Obwohl diese jahrzehntelange Studie den Unterschied in den Werten von big G nicht klärt, liefert sie wichtige Daten für die laufenden Bemühungen.

„Jede Messung ist wichtig, denn die Wahrheit zählt“, sagte Schlamminger. „Für mich ist die Durchführung einer genauen Messung eine Art, Ordnung im Universum zu schaffen, unabhängig davon, ob die Zahl mit dem erwarteten Wert übereinstimmt“, fügte er hinzu.

Nach jahrelanger Arbeit hat Schlamminger beschlossen, weiterzumachen.

„Ich überlasse es jüngeren Generationen

„Ich überlasse es jüngeren Generationen von Wissenschaftlern, an dem Problem zu arbeiten“, sagte er.

„Wir müssen weitermachen.“ Big G, Little g Big G ist nicht das einzige g in Newtons Gravitationsgesetz. Es gibt auch ein kleines g, und es gibt einen großen Unterschied zwischen den beiden.

Das kleine g beschreibt die Beschleunigung, die ein Objekt aufgrund der Gravitationskraft einer großen Masse, wie der Erde, erfährt, und es variiert von Ort zu Ort.

Beispielsweise beträgt der Wert des kleinen

Beispielsweise beträgt der Wert des kleinen g an der Erdoberfläche ungefähr 9,8 m/s² und nur 1,62 m/s² auf dem Mond, weil der Mond eine geringere Masse und daher eine schwächere Gravitationskraft als die Erde ausübt. Im Gegensatz dazu ist das große G universell: Sein Wert ist überall im Universum gleich, nach bestem Wissen der Wissenschaftler.

Es kann Ihnen die Gravitationskraft zwischen beliebigen zwei Objekten angeben, sei es zwischen einer Person und einem Planeten oder einem Paar Gewichte in einem Labor.

Die Berechnung der Gravitationskraft zwischen zwei Massen, m1 und m2, erfordert das Produkt der beiden Massen, geteilt durch das Quadrat des Abstands r zwischen ihnen, und das Ergebnis dann mit der Gravitationskonstante, dem großen G, zu multiplizieren. In Form einer Gleichung besagt Newtons Gesetz, dass die Kraft gleich Gm1m2/r² ist.

"Redetermination of the gravitational constant with the BIPM torsion balance at NIST" von Stephan Schlamminger, Leon Chao, Vincent Lee, Craig Shakarji, Antonio Possolo, David Newell, Julian Stirling, Robert Cochrane und Clive Speake, 16 April 2026, Metrologia. DOI: 10.1088/1681-7575/ae570f