Gravitationskonstanten G bestämmer tyngdkraften – kraften som får äpplen att falla till marken eller drar jorden i sin bana runt solen. Det är en del av Isaac Newtons lag om universell gravitation, som han först formulerade för mer än 300 år sedan. Konstanten kan inte härledas matematiskt; det måste bestämmas genom experiment.

Under århundradena har forskare genomfört många experiment för att bestämma värdet på G, men det vetenskapliga samfundet är inte nöjda med den nuvarande siffran. Det är fortfarande mindre exakt än värdena för alla andra grundläggande naturkonstanter – till exempel ljusets hastighet i vakuum.

En anledning till att gravitationen är extremt svår att kvantifiera är att den är en mycket svag kraft och inte kan isoleras:när du mäter gravitationen mellan två kroppar mäter du också effekten av alla andra kroppar i världen.

"Det enda alternativet för att lösa denna situation är att mäta gravitationskonstanten med så många olika metoder som möjligt", förklarar Jürg Dual, professor vid institutionen för maskin- och processteknik vid ETH Zürich. Han och hans kollegor genomförde ett nytt experiment för att ombestämma gravitationskonstanten och har nu presenterat sitt arbete i den vetenskapliga tidskriften Nature Physics .

Ett nytt experiment i en gammal fästning

För att utesluta störningskällor så långt som möjligt satte Duals team upp sin mätutrustning i det som tidigare var fästningen Furggels, belägen nära Pfäfers ovanför Bad Ragaz, Schweiz. Den experimentella uppställningen består av två balkar upphängda i vakuumkammare. Efter att forskarna satt en vibrerande, gjorde gravitationskopplingen att den andra strålen också uppvisade minimal rörelse (i pikometrarna - dvs en biljondels meter). Med hjälp av laseranordningar mätte teamet rörelsen hos de två strålarna, och mätningen av denna dynamiska effekt gjorde det möjligt för dem att sluta sig till storleken på gravitationskonstanten.

Värdet som forskarna kommit fram till med denna metod är 2,2 procent högre än det nuvarande officiella värdet som ges av Kommittén för data för vetenskap och teknik. Dual erkänner dock att det nya värdet är föremål för en hel del osäkerhet:"För att få ett tillförlitligt värde behöver vi fortfarande minska denna osäkerhet med en avsevärd mängd. Vi är redan i färd med att göra mätningar med en något modifierad experimentell uppställning så att vi kan bestämma konstanten G med ännu större precision." De första resultaten är tillgängliga men har ännu inte publicerats. Ändå bekräftar Dual att "vi är på rätt väg."

Forskarna driver experimentet på distans från Zürich, vilket minimerar störningar från personal som finns på plats. Teamet kan se mätdata i realtid när de vill.

Insikt i universums historia

För Dual är fördelen med den nya metoden att den mäter gravitationen dynamiskt via de rörliga strålarna. "I dynamiska mätningar, till skillnad från statiska, spelar det ingen roll att det är omöjligt att isolera gravitationseffekten av andra kroppar", säger han. Det är därför han hoppas att han och hans team kan använda experimentet för att knäcka gravitationsproblemet. Vetenskapen har fortfarande inte fullt ut förstått denna naturkraft eller experimenten som relaterar till den.

Till exempel skulle en bättre förståelse av gravitationen göra det möjligt för oss att bättre tolka gravitationsvågsignaler. Sådana vågor upptäcktes för första gången 2015 vid LIGO-observatorierna i USA. De var resultatet av två kretsande svarta hål som hade smält samman på ett avstånd av cirka 1,3 miljarder ljusår från jorden. Sedan dess har forskare dokumenterat dussintals sådana händelser; om de kunde spåras i detalj skulle de avslöja nya insikter om universum och dess historia.

En karriär som kröner verket

Dual började arbeta med metoder för att mäta gravitationskonstanten 1991, men hade vid ett tillfälle lagt sitt arbete på is. Men observationen av gravitationsvågor vid LIGO gav det ny fart, och 2018 återupptog han sin forskning. Under 2019 satte projektgruppen upp laboratoriet i Furggels fästning och påbörjade nya experiment. Förutom forskarna från Duals grupp och en statistikprofessor involverade projektet även infrastrukturpersonal som renrumsspecialister, en elingenjör och en mekaniker. "Det här experimentet hade inte kunnat gå ihop utan år av lagarbete", säger Dual.

Dual blir professor emeritus i slutet av juli i år och har redan hållit sin avskedsföreläsning. "Ett framgångsrikt experiment är ett trevligt sätt att avsluta min karriär", säger han. + Utforska vidare

Gravitationsvågsspegelexperiment kan utvecklas till kvantenheter