Xung quanh việc đo G còn nhiều câu hỏi lớn

1.Lực hấp dẫn và đo G

Từ năm 1687 Newton đã biết được lực làm cho quả táo rơi xuống cũng là lực điều khiển các hành tinh chuyển động. Nhưng hằng số hấp dẫn G của lực đó cho đến đầu thiên niên kỷ thứ ba vẫn chưa đo được chính xác như mong muốn. Tuy là hằng số rất quan trọng, rất cần thiết cho tính toán ở trên mặt đất cũng như trong vũ trụ nhưng G chỉ đo được với độ chính xác cỡ 0.015%. Trong lúc đó hằng số Planck, điện tích của điện tử được đo chính xác đến cỡ phần triệu của phần trăm, đặc biệt là tốc độ của ánh sáng được đo với độ chính xác hoàn hảo. Tại sao trong bảng các hằng số, G được xếp vào loại đo được kém chính xác nhất.

2.Đo G - Kỹ thuật ngày càng tinh vi

Vấn đề đầu tiên là kỹ thuật. Lực hấp dẫn giữa hai vật cực kỳ yếu so với trọng lượng của chúng do đó quá khó đo. Để dẽ hình dung ta xét hai quả cầu thép đặt gần nhau, lực hấp dẫn giữa chúng chỉ 1.7 x 10 ^-5N, chỉ bằng trọng lượng của một đoạn 0.2 milimet tóc.

Năm 1798 Cavendish làm được cái cân xoắn đo được G với hai quả cầu nhỏ treo vào dây xoắn mỗi quả nặng 730g còn hai quả cầu lớn mỗi quả nặng 158kg.

Cũng theo cách cân xoắn nhưng hiện đại hơn năm 1986, nhóm ở Đại học Virginia ở (Mỹ) đã đo được G = (6.67259 ± 0.00085) x 10 ^-11m ³kh ^-1s ^-2giá trị đo này được CODATA (Committee on Data for Science and Technologv) chấp nhận nhưng sau đó, những kết quả đo G lại hơi khác với kết quả đo năm 1986.

Năm 1990 CODATA lại chấp nhận dùng giá trị G trong khoảng 6.663 đến 6.683x10 ^-11m ³kg ^-1s ^-2, kém chính xác hơn số liệu G năm 1986.

Nhưng năm 1995, công bố của Viện đo lường Đức làm nhiều người phân vân. Theo Viện này giá trị G đo được ở Đức tăng lên 0.6% so với giá trị G vừa được CODOTA công nhận.

Tại sao việc đo G cho chính xác lại rắc rối như vậy. Công trình của nhà khoa học Nhật Bản Kazuaki Kuroda ở Viện nghiên cứu Tia Vũ trụ cho biết một nguyên nhân quan trọng là dây xoắn không phải tuyệt đối đàn hồi.

Phân tích kỹ thì phép đo G của Viện đo lường Đức năm 1995 là có vấn đề. Tuy nhiên phép đo đó cho thấy khử yếu tố không tuyệt đối đàn hồi của dây xoắn là quan trọng.

Trong mấy năm gần đây có ba phép đo G được thực hiện gây được nhiều chú ý.

Trước hết là phép đo G ở Đại học Washinton ở Seattle (Mỹ) do Jens Gunlach và Stephen Merkowitz thực hiện năm 2000.

Ở đây tuy vẫn dùng nguyên tắc dây xoắn nhưng có những bố trí đặc biệt: chỗ treo của dây xoắn không cố định mà quay được và đo bằng cách theo dõi sự quay theo chỗ treo của dây khi quay những quả cầu gây ra lực hấp dẫn (để tránh ảnh hưởng của độ không đàn hồi của dây xoắn). Ngoài ra thay đổi hình dạng khối lượng thử treo ở đòn cân xoắn, không dùng dạng quả cầu nữa mà là dùng dạng tấm phẳng chữ nhật (để tránh ảnh hưởng của khối lượng không phân bố đều ở hình cầu)... Kết quả là đo được là:

G = (6.674215 ± 0.000092) x 10 ^-11m ³kg ^-1s ^-2

Độ chính xác là 13 x 10 ^-6. Có phải đây là phép đo chính xác nhất, phép đo tuyệt vời nhất hay không. Các nhà khoa hoc đo lường đang thận trọng xem xét.

Năm 2002 một phép đo được nhiều người chú ý nữa là phép đo do Pr`Terry Quinn, Giám đốc BIPM (Bureau International des poids et mesures) ở Sèvres chủ trì. Phép đo này cũng loại trừ được ảnh hưởng của độ không đàn hồi của dây xoắn.

Kết quả đo là:

G = (6.67559 ± 0.00027) x 10 ^-11m ³s ^-2.

Kết quả này chưa ăn khớp với khoảng chính xác ở phép đo thực hiện ở Seattle .

Đặc biệt, phép đo cũng thực hiện vào năm 2002 ở Đại học Zurich Thuỵ Sĩ, nhưng hoàn toàn không dùng cần xoắn mà dùng cân đòn khối lượng vật thử là 1kg và khối lượng vật gây ra trường hấp dẫn là 7 tấn x 2 = 14 tấn (xem bài mô tả cách đo ở trang 17).

Kết quả đo là:

G = (6.67404 ± 0.00021) x 10 ^-21m ³kg ^-1s ^-2.

Cách đo này cho kết quả khá phù hợp với kết quả đo ở Seattle . Hai cách đo rất khác nhau nhưng kết quả lại khá khớp nhau, đó là điều làm nhiều người ngạc nhiên, thán phục, nhưng lại đặt ra một câu hỏi khác.

3. Câu hỏi mới đặt ra về giá trị của G

Nói chung phép đo G đã được nơi này, nơi kia thực hiện thận trọng, chính xác. Nhưng kết quả đo G chưa đạt được chính xác như các kết quả đo các hằng số khác.

Phải chăng giá trị G có phụ thuộc vào địa điểm đo tức là phụ thuộc kinh tuyến vĩ tuyến. Kết quả đo G ở Parishơi cao hơn kết quả đo G ở Seattlevà ở Zurich . Đó là do kỹ thuật đo hay là do địa điểm đo? Phải chăng nên làm phép thử; đưa các máy móc đo G ở nơi này sang nơi khác đổi tráo đi để đo đạc kiểm nghiệm lại?

Phải chăng G có phụ thuộc kinh độ và vĩ độ và là do lực hấp dẫn có phụ thuộc vào trường Trái Đất. Có chăng tương tác giữa trường hấp dẫn và trường điện từ. Đó là những câu hỏi liên quan đến lý thuyết dây, lý thuyết thống nhất các lực tương tác hiện nay và các nhà thực nghiệm cũng muốn góp phần làm sáng tỏ. Ngay cả việc các vật có rơi như nhau như Galilée kết luận hay không cũng cần kiểm nghiệm lại. Các nhà thực nghiệm đang bố trí đưa 1kg vônphơram và 1kg titan lên tàu vũ trụ và thí nghiệm cho chúng “rơi” xem có như nhau không. Nếu không sự cố tàu con thoi Columbia bị nổ tung thì thí nghiệm này sẽ thực hiện vào năm 2005.

Các hằng số cơ bản

Hằng số hấp dẫn vũ trụ

G = (6.673 ± 0.010) x 10 ^-11m ³kg ^-1s ^-2

x Sai số tương đối 1.5 x 10 ^-3

- Vận tốc ánh sáng

c = 299792458 m.s ^-1,

chính xác

x Hằng số Planck

h = (6.62606876 ± 0.00000052) x 10 ^-34J.s ^-1,

- sai số tương đối 7.8.10 ^-8,

- Độ thẩm chân không

μ ₀= 4π x 10 ^-7H x m ^-1,

chính xác

- Hằng số điện môi của chân không

∑ ₀= 8.854187817 x 10 ^-12F.m ^-1,

chính xác

- Điện tích cơ bản

e = (1.602176462 ± 0.000000063) x 10 ^-19C,

sai số tương đối 3.9.10 ^-8,

Tham khảo: Cécile Bonneau. Gravité, sa mesure cache-t-elle une erreur theorque? (Science et Vie, 5 - 2003)