Η μέτρηση της ισχύος της βαρύτητας είναι εξαιρετικά δύσκολη υπόθεση και τα διαφορετικά πειράματα διαφωνούσαν πάντα μεταξύ τους. Ένα νέο τεστ, όμως, ανοίγει τον δρόμο για μια πιο καθαρή εικόνα σχετικά με τη πιο αινιγματική δύναμη της φύσης.
Ο Stephan Schlamminger και ο συνεργάτης του, Vincent Lee, εξετάζουν την ράβδο στρέψης που χρησιμοποίησαν για να μετρήσουν τη βαρυτική σταθερά. R. Eskalis/NIST
Για αιώνες, οι φυσικοί προσπαθούν να μετρήσουν την ισχύ της βαρύτητας, έναν αριθμό που είναι γνωστός ως «big G». Οι μετρήσεις δεν συμβάδιζαν ποτέ μεταξύ τους, κάτι που άφηνε να εννοηθεί είτε ότι δεν κατανοούμε πλήρως τα πειράματά μας είτε ότι δεν κατανοούμε πλήρως τη βαρύτητα. Η πιο πρόσφατη δοκιμή δεν επιβεβαιώνει κανένα από τα δύο σενάρια, όμως η εξαιρετική ακρίβεια και η προσοχή που δόθηκε στο νέο πείραμα big G ίσως φέρουν τελικά τους ερευνητές πιο κοντά σε μια κοινή γραμμή.
Η βαρύτητα είναι πολύ ασθενέστερη από τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, κάτι που την καθιστά εξαιρετικά δύσκολη στη μέτρηση με ακρίβεια. «Όταν ήμασταν παιδιά, μας μάγευε όλους ο τρόπος με τον οποίο οι μαγνήτες έλκονται μεταξύ τους. Το ίδιο ισχύει και για τη βαρύτητα – αν έχεις δύο κούπες καφέ και τις βάλεις σε καθεμιά από τα χέρια σου, υπάρχει ακόμη δύναμη μεταξύ τους, αλλά είναι τόσο μικρή που δεν τη νιώθεις, οπότε δεν σε μαγεύει το ίδιο», λέει ο Stephan Schlamminger από το US National Institute of Standards and Technology στο Maryland. Αυτή η αδυναμία είναι και ένας από τους λόγους που είναι τόσο δύσκολο να μετρηθεί η πραγματική ισχύς της βαρύτητας.
Το άλλο μέρος του προβλήματος είναι ότι, σε αντίθεση με τις άλλες δυνάμεις, δεν είναι δυνατό να θωρακιστεί ένα πείραμα από τη βαρύτητα. Το 1798, ο φυσικός Henry Cavendish το ξεπέρασε χρησιμοποιώντας μια συσκευή που ονομάζεται ράβδος στρέψης, η οποία του επέτρεψε να μετρήσει τη βαρύτητα για πρώτη φορά, έστω και με χαμηλή ακρίβεια.
Για να φανταστεί κανείς μια ράβδο στρέψης, ας σκεφτεί μια οριζόντια οδοντογλυφίδα που κρέμεται από μια κλωστή στο κέντρο της. Στα δύο άκρα της οδοντογλυφίδας υπάρχει από μία μικρή μπίλια. Αν φέρεις ένα άλλο αντικείμενο κοντά σε μία από τις μπίλιες, η βαρύτητά του θα την έλξει, με αποτέλεσμα η οδοντογλυφίδα να στραφεί ελαφρά. Μετρώντας πόσο στρέφεται, μπορείς να υπολογίσεις την ισχύ της βαρύτητας ανάμεσα στη μπίλια και το εξωτερικό αντικείμενο, χωρίς να σε επηρεάζει η βαρύτητα της Γης, καθώς αυτή αντισταθμίζεται από την κλωστή.
Το πείραμα που πραγματοποίησαν ο Schlamminger και οι συνεργάτες του ήταν μια πολύ πιο εξελιγμένη εκδοχή αυτής της διάταξης, με οκτώ βάρη τοποθετημένα σε δύο ακριβώς βαθμονομημένες περιστρεφόμενες πλατφόρμες, όλα αναρτημένα με ταινίες περίπου όσο παχιά είναι μια ανθρώπινη τρίχα. Ήταν μια επίπονη αναπαραγωγή ενός πειράματος που είχε γίνει για πρώτη φορά στη Γαλλία το 2007. Οι ερευνητές χρειάστηκαν μια δεκαετία για να μετρήσουν και να περιορίσουν κάθε πιθανή πηγή αβεβαιότητας. «Αυτό είναι πειραματική φυσική στην καλύτερή της μορφή», λέει ο Jens Gundlach από το University of Washington, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία.
«Το επίπεδο προσοχής που επέδειξαν και όλα τα διαφορετικά φαινόμενα που εξέτασαν, είναι ένα πείραμα που αλλάζει τα δεδομένα», λέει η Kasey Wagoner από το North Carolina State University, η οποία επίσης δεν συμμετείχε στην εργασία. Η τελική τιμή του big G ήταν 6.67387×10 -11 μέτρα 3 ανά κιλό ανά δευτερόλεπτο 2. Πρόκειται για μια τιμή ελάχιστα χαμηλότερη από τη μέτρηση του 2007, αλλά αρκετή ώστε να φέρει το αποτέλεσμα πιο κοντά σε άλλες δοκιμές που έχουν γίνει όλα αυτά τα χρόνια.
«Το big G δεν είναι μόνο μια μέτρηση της βαρύτητας – είναι μια μέτρηση του πόσο καλά μπορείς να μετρήσεις τη βαρύτητα, και ξεπερνά εποχές της φυσικής. Μπορούμε να συγκρίνουμε το πείραμά μας με το πείραμα του Cavendish πριν από 230 χρόνια, και σε 230 χρόνια θα μπορούν να συγκρίνουν το δικό τους με το δικό μας», λέει ο Schlamminger. «Στο τέλος, νομίζω ότι θα κριθεί από το ποια εποχή της ανθρωπότητας μπορεί να το μετρήσει καλύτερα, με τη μεγαλύτερη συμφωνία ανάμεσα στις μετρήσεις».
Εντοπίζοντας αρκετές πηγές αβεβαιότητας που δεν ήταν γνωστές μέχρι σήμερα, ο Schlamminger και η ομάδα του αύξησαν αυτή τη συμφωνία, λέει ο Gundlach. «Το τοπίο φαίνεται τώρα καλύτερο, πιο αξιόπιστο, πιο σταθερό», σημειώνει.
Σωματίδια που εμφανίζονται από το κενό καταγράφηκαν για πρώτη φορά
Ακολουθώντας την προέλευση ενός ασυνήθιστου, βραχύβιου σωματιδίου, οι ερευνητές συγκέντρωσαν μερικές από τις πιο ισχυρές έως τώρα ενδείξεις ότι η μάζα μπορεί να προκύψει από διακυμάνσεις στο κενό.
Παράλληλα, άνοιξαν τον δρόμο για μελλοντικά πειράματα που θα μετρήσουν το big G με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια, κάτι που θα γίνει ολοένα και πιο σημαντικό καθώς οι κοσμολογικές μετρήσεις -πολλές από τις οποίες βασίζονται στη γνώση της ισχύος της βαρύτητας- αποκτούν κι αυτές μεγαλύτερη ακρίβεια. «Αν συμβαίνει κάτι παράξενο εδώ, θα έχει επιπτώσεις από την κλίμακα του εργαστηρίου έως την κλίμακα του σύμπαντος», λέει η Wagoner. «Μια πολύ μικρή, ανεπαίσθητη διαφορά στο εργαστήριο, όταν τη μεταφέρεις σε κοσμικές κλίμακες, διογκώνεται και μπορεί να έχει πραγματικά μεγάλες συνέπειες».
Αν και οι περισσότεροι ερευνητές συμφωνούν ότι η πιο πιθανή εξήγηση για την υπόλοιπη απόκλιση είναι πως δεν κατανοούμε πλήρως τις πηγές μεροληψίας και αβεβαιότητας σε όλα τα πειράματα, υπάρχει και το ενδεχόμενο η βαρύτητα να συμπεριφέρεται διαφορετικά από ό,τι πιστεύαμε. Αν ισχύει αυτό, θα έδειχνε προς πιθανή νέα, εξωτική φυσική. «Υπάρχει μια ρωγμή στην κατανόησή μας για την επιστήμη και πρέπει να μπούμε σε αυτές τις ρωγμές – ίσως να μην υπάρχει τίποτα εκεί, αλλά θα ήταν ανόητο να μην το κάνουμε», λέει ο Schlamminger.
Metrologia DOI: 10.1088/1681-7575/ae570f
