L'équipe de recherche scientifique de l'Institut national des normes et technologies (NIST) a récemment annoncé les résultats d'une expérience de 10 ans, qui a donné une nouvelle valeur à la constante gravitationnelle "G", l'une des constantes les plus fondamentales et les plus difficiles à mesurer avec précision en physique, et a révélé une raison potentielle de "l'inexactitude" à long terme des mesures gravitationnelles.
La gravité est la plus faible des quatre interactions fondamentales de la nature, ce qui en fait l’une des grandeurs physiques les plus difficiles à mesurer avec précision. Le physicien du NIST, Stephan Schlamminger, a déclaré que la communauté scientifique suit la constante gravitationnelle depuis plus de 200 ans, mais que la dispersion des 16 principaux résultats de mesure existants est encore très grande, avec une incertitude typique d'environ 10 parties par million, ce qui est bien inférieur au niveau de précision des autres constantes de base.
La constante gravitationnelle, également connue sous le nom de « Big G » par la communauté des physiciens, décrit la force de la force gravitationnelle entre deux masses. Pour la vie quotidienne du public, de petits changements dans G n'auront pas d'impact perceptible, mais pour les physiciens, verrouiller autant que possible sa valeur précise aidera à mieux comprendre la nature de la gravité et favorisera l'exploration d'une théorie physique unifiée.
Dans ce travail, l’équipe de Schraminger a choisi de reproduire la voie expérimentale plutôt que de complètement renverser et de concevoir une nouvelle solution. Ils ont transporté le même ensemble d'équipements utilisés dans une célèbre expérience sur la constante gravitationnelle menée au Bureau international des poids et mesures (BIPM) en France en 2014 depuis la France jusqu'au laboratoire du NIST à Gaithersburg, Maryland, États-Unis, dans le but de reproduire l'expérience dans différents environnements et d'examiner s'il y avait des biais systématiques cachés dans les résultats de cette année-là.
L'expérience du BIPM en 2014 a donné l'une des valeurs G les plus « déviantes » à l'époque, donc l'expérience de réplication devrait révéler les détails derrière ces résultats anormaux. L'équipe du NIST a officiellement commencé les travaux de mesure en 2016. L'ensemble du projet a duré 10 ans. Il ne s'agissait pas seulement d'une mesure scientifique, mais aussi d'un perfectionnement à long terme d'une technologie de mesure de force faible d'ultra-précision.
Les dernières données publiées montrent que la valeur de la constante gravitationnelle donnée par l'équipe est6,67387±0,00038×10−11m3kg−1s−2, l'incertitude type relative est5,7×10−5. Par rapport aux résultats expérimentaux du BIPM en 2014, cette valeur est inférieure d’environ 0,0235 %. Dans le domaine de la mesure de haute précision, cette différence ne peut être ignorée. Dans le même temps, le résultat est également légèrement inférieur à la valeur G recommandée par CODATA 2018, mais il est encore difficile d'expliquer clairement la source de l'écart.
Ce qui est encore plus révolutionnaire, c'est que lorsque les chercheurs ont déduit à plusieurs reprises les conditions expérimentales, ils ont découvert un facteur qui était souvent ignoré auparavant : l'influence de l'air résiduel dans la chambre à vide. Selon la conception, afin d'éliminer autant que possible les interférences, l'expérience doit être menée dans un environnement de vide presque parfait, mais l'équipe a découvert que quelle que soit la manière dont le gaz est pompé, une petite quantité de gaz restera toujours dans le récipient, formant ce qu'on appelle la « pression de vide ».
Ce gaz résiduel exercera une force extrêmement faible sur le dispositif expérimental, affectant ainsi la valeur G finale mesurée. Cependant, cet effet n’a pas été systématiquement inclus dans l’analyse de nombreuses expériences antérieures. Schramminger a souligné que cette découverte devrait contribuer à expliquer pourquoi les valeurs G données par différentes expériences sont incohérentes depuis longtemps, mais il est encore trop tôt pour tirer des conclusions. Il est également nécessaire de revoir chaque plan expérimental un par un pour vérifier comment ils traitent des détails tels que les gaz résiduels.
En parlant de la différence entre les nouveaux résultats et les valeurs reconnues existantes, Schramminger a déclaré que l'équipe a actuellement tendance à croire que l'écart peut provenir de la superposition de plusieurs effets cumulatifs plutôt que d'un seul facteur. Cependant, les effets et les poids respectifs ne sont pas encore démantelés avec précision. Des articles de recherche pertinents ont été publiés dans Metrologia, une revue dans le domaine de la métrologie, et ont été vérifiés de manière indépendante.
Ces travaux n'ont pas mis fin au débat sur la constante gravitationnelle, mais ils ont clairement démontré la complexité du problème : même s'il a fallu dix ans, en réutilisant le même appareil et en travaillant soigneusement dans différents laboratoires, la valeur finale de G était toujours très différente des résultats précédents. Du point de vue de la communauté scientifique, c'est à la fois un revers et une motivation - cela rappelle aux chercheurs que s'ils veulent comprendre pleinement cette constante naturelle « la plus familière et la plus inconnue », des expériences de plus en plus détaillées, une persistance à plus long terme et des capacités d'identification des erreurs plus pointues sont nécessaires.