Physiker haben zehn Jahre lang versucht, die Gravitationskonstante zu messen – und sind erneut nicht auf einen einheitlichen Wert für „großes G“ gekommen.

Neue Messung der Gravitationskonstante von NIST

Physiker des National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA haben ein zehnjähriges Experiment zur Messung der Gravitationskonstanten G abgeschlossen. Der ermittelte Wert weicht sowohl vom vorherigen französischen Ergebnis als auch vom internationalen Referenzwert ab, jedoch wurde dabei ein bisher nicht berücksichtigtes Phänomen entdeckt, das die Abweichungen zwischen verschiedenen Messungen erklären könnte.

Was bedeutet „großes G“?
Die Gravitationskonstante G beschreibt die Anziehungskraft zwischen zwei Massen. Sie ist eine der fundamentalen Konstanten der Physik, deren genauer Wert seit über 200 Jahren Gegenstand von Diskussionen ist. Gravitation ist die schwächste der vier fundamentalen Wechselwirkungen, weshalb ihre Messung mit hoher Genauigkeit im Labor äußerst schwierig ist.

Derzeit gibt es 16 experimentelle Werte für G, die von verschiedenen Forschungsgruppen ermittelt wurden. Wie der NIST-Physiker Stephan Schlamminger in einer Ausgabe von *Refractor* bemerkte, „sind die Daten stark streuend und die Unsicherheit liegt bei etwa 10⁻⁶ Prozent“.

Warum wurde das französische Experiment gewählt?
Anstatt eine neue Messung durchzuführen, entschied sich Schlammingers Team, das 2014 in der Internationalen Büro für Maße und Gewichte (BIPM) in Frankreich durchgeführte Experiment zu replizieren. Dieses Experiment lieferte einen der stark abweichenden Werte von G, sodass seine Wiederholung mögliche versteckte systematische Fehler aufdecken könnte.

* Die Anlage wurde über den Atlantik in das NIST-Labor in Gaithersburg, Maryland, verlegt.
* Die Arbeit begann im Jahr 2016 und dauerte zehn Jahre.

Ergebnis
Der ermittelte Wert:

\[

G = (6.67387 \pm 0.00038) \times 10^{-11}\; \text{m}^3\,\text{kg}^{-1}\,\text{s}^{-2}

\]

Dieser Wert ist um 0,0235 % niedriger als das ursprüngliche französische Ergebnis. Im Kontext anderer fundamentaler Konstanten, die mit einer Genauigkeit von Zehnern von Dezimalstellen gemessen wurden, bleibt diese Abweichung signifikant.

Entdeckte Fehlerquelle
Die wichtigste Entdeckung ist der Effekt des Restluftdrucks. Während des Betriebs wird die Anlage evakuiert, um ein Vakuum zu erzeugen, aber es ist unmöglich, die Luft vollständig zu entfernen. „Es bleibt immer noch eine geringe Menge an Luft – das nennt man Restluftdruck“, erklärt Schlamminger. Diese verbleibende gasförmige Umgebung übt eine schwache Kraft auf das System aus, die in früheren Experimenten nicht berücksichtigt wurde.

Dieser Faktor könnte der Schlüssel zum Verständnis der Ursachen für die Inkonsistenz der G-Messungen weltweit sein.

Was kommt als Nächstes?
Schlamminger ist noch nicht bereit, diese Entdeckung auf alle anderen Experimente anzuwenden. „Wir müssen jedes Experiment einzeln betrachten und verstehen, was genau in ihm gemacht wurde“, sagt er. Der neue Wert liegt etwas unter dem von CODATA empfohlenen (2018), aber die genaue Ursache der Abweichung lässt sich noch nicht bestimmen.

„Wir gehen vorerst davon aus, dass dies mit einer Reihe von Effekten zusammenhängen könnte, jedoch ist noch nicht klar, welche genau die Ergebnisse beeinflussen“, fasste der Wissenschaftler zusammen.