Οι επιστήμονες άνοιξαν έναν σφραγισμένο φάκελο μετά από 10 χρόνια - Η βαρύτητα δεν έβγαζε νόημα

Σχεδόν δύο αιώνες οι επιστήμονες προσπαθούν να προσδιορίσουν έναν από τους σημαντικότερους αριθμούς στη φυσική: την παγκόσμια σταθερά βαρύτητας, γνωστή ως «μεγάλο G».

Αυτή καθορίζει την ένταση της βαρύτητας σε ολόκληρο το σύμπαν, επηρεάζοντας τα πάντα, από την πτώση αντικειμένων στη Γη έως την κίνηση των γαλαξιών. Ωστόσο, παρά τη σημασία της, οι ερευνητές εξακολουθούν να μην μπορούν να συμφωνήσουν ως προς την ακριβή της τιμή.

Ο Stephan Schlamminger, φυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST), επί 10 χρόνια είχε αφιερώσει μεγάλο μέρος της καριέρας του στη μέτρηση του μεγάλου G με εξαιρετική ακρίβεια και ήταν έτοιμος να ανοίξει έναν σφραγισμένο φάκελο που περιείχε έναν κρίσιμο μυστικό αριθμό.

Ο κρυμμένος αριθμός μέσα στον φάκελο θα του επέτρεπε επιτέλους να αποκωδικοποιήσει τα αποτελέσματα της ομάδας του.

Γιατί η μέτρηση της βαρύτητας είναι τόσο δύσκολη

Η βαρύτητα μπορεί να διαμορφώνει τον κόσμο, αλλά είναι εκπληκτικά αδύναμη σε σύγκριση με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Ο ηλεκτρομαγνητισμός, για παράδειγμα, είναι πολύ ισχυρότερος. Ακόμη και ένας μικροσκοπικός μαγνήτης μπορεί να σηκώσει ένα συνδετήρα, αντισταθμίζοντας την έλξη ολόκληρου του βαρυτικού πεδίου της Γης.

Οι ερευνητές έχουν αφιερώσει περισσότερα από 225 χρόνια προσπαθώντας να βελτιώσουν τις μετρήσεις της βαρύτητας (G) από τότε που ο Ισαάκ Νεύτωνας περιέγραψε για πρώτη φορά μαθηματικά τη βαρύτητα.

Παρά τον ολοένα και πιο προηγμένο εξοπλισμό, τα σύγχρονα πειράματα εξακολουθούν να δίνουν ελαφρώς διαφορετικά αποτελέσματα. Οι διαφορές είναι ελάχιστες, περίπου ένα στα 10.000, αλλά είναι μεγαλύτερες από τις αναμενόμενες πειραματικές αβεβαιότητες.

Αυτό έχει εγείρει ένα δυσάρεστο ερώτημα. Μήπως οι επιστήμονες παραβλέπουν λεπτές ατέλειες στα πειράματά τους, ή μήπως υπάρχει κάτι ελλιπές στην ίδια την κατανόησή μας για τη βαρύτητα;

Αναπαράσταση ενός ιστορικού πειράματος βαρύτητας

Για να διερευνήσουν την ασυμφωνία, ο Schlamminger και οι συνεργάτες του αποφάσισαν να αναπαράγουν ένα πολύ αναγνωρισμένο πείραμα που πραγματοποιήθηκε το 2007 από το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών (BIPM) στο Sèvres της Γαλλίας. Ο στόχος ήταν απλός κατ' αρχήν: να δουν αν μια ανεξάρτητη ομάδα στο NIST στο Gaithersburg του Μέριλαντ θα μπορούσε να επιτύχει το ίδιο αποτέλεσμα.

Ο Schlamminger ήθελε επίσης να αποφύγει κάθε πιθανότητα μεροληψίας. Ανησυχούσε ότι η γνώση της αναμενόμενης τιμής θα μπορούσε να επηρεάσει ασυνείδητα την ανάλυσή του. Για να το αποτρέψει αυτό, ζήτησε από τον συνάδελφό του Patrick Abbott να ανακατέψει μέρος των δεδομένων.

Ο Abbott αφαίρεσε κρυφά μια κρυφή τιμή από τις μετρήσεις που αφορούσαν ορισμένες από τις πειραματικές μάζες. Μόνο ο Abbott γνώριζε τον αριθμό. Μέχρι να ανοιχτεί ο φάκελος, ο Schlamminger δεν είχε κανένα τρόπο να γνωρίζει την πραγματική τιμή που είχε παράγει το πείραμά του

Η αποκάλυψη

Ο φάκελος είχε σχεδόν ανοιχτεί μια φορά στο παρελθόν. Το 2022, ο Σλάμινγκερ ήταν έτοιμος να αποκαλύψει το αποτέλεσμα, αλλά σταμάτησε την τελευταία στιγμή όταν συνειδητοποίησε ότι μια ελάχιστη διακύμανση της ατμοσφαιρικής πίεσης θα μπορούσε να επηρεάσει τη μέτρηση. Ανέβαλε την αποκάλυψη και συνέχισε να τελειοποιεί την ανάλυση.

Τελικά, στις 11 Ιουλίου 2024, στο ετήσιο Συνέδριο για τις Ακριβείς Ηλεκτρομαγνητικές Μετρήσεις στην Aurora του Κολοράντο, έφτασε η στιγμή.

Άνοιξε τον φάκελο και διάβασε τον κρυφό αριθμό του Abbott. Αρχικά, ένιωσε ανακούφιση. Η μυστική τιμή έπρεπε να είναι μεγάλη και αρνητική για να ταιριάζει το πείραμα με τις προσδοκίες. Ήταν.

Όμως, καθώς η μέρα προχωρούσε, η ανακούφιση αυτή εξασθένησε. Ο αριθμός ήταν πολύ μεγάλος για να ταιριάζουν τα αποτελέσματα του NIST με το προηγούμενο γαλλικό πείραμα.

Μια νέα απόκλιση στο Big G

Μετά από δύο επιπλέον χρόνια λεπτομερούς ανάλυσης, ο Schlamminger και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο Metrologia. Η τιμή που μέτρησαν για το G ήταν 6,67387x10-11 μέτρα3/κιλό/δευτερόλεπτο2, η οποία είναι 0,0235% χαμηλότερη από τη μέτρηση της Γαλλίας.

Αυτό μπορεί να ακούγεται ασήμαντο, αλλά οι φυσικοί λαμβάνουν σοβαρά υπόψη τέτοιες διαφορές. Οι περισσότερες άλλες θεμελιώδεις σταθερές είναι γνωστές με έξι ή περισσότερα σημαντικά ψηφία, με πολύ μεγαλύτερη συμφωνία.

Η απόκλιση δεν είναι αρκετά μεγάλη ώστε να επηρεάσει την καθημερινή ζωή. Ωστόσο, σε όλη την ιστορία της επιστήμης, μικροσκοπικές ασυνέπειες έχουν μερικές φορές οδηγήσει σε σημαντικές ανακαλύψεις και έχουν αποκαλύψει κρυφά κενά στις υπάρχουσες θεωρίες.

Μεγάλο G εναντίον μικρού g

Ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα περιέχει τόσο ένα «μεγάλο G» όσο και ένα «μικρό g», αλλά περιγράφουν διαφορετικά πράγματα.

Το μικρό g αναφέρεται στην επιτάχυνση που προκαλείται από τη βαρύτητα κοντά σε ένα μεγάλο αντικείμενο, όπως η Γη. Στην επιφάνεια της Γης, το μικρό g είναι περίπου 9,8 m/s2. Στη Σελήνη, όπου η βαρύτητα είναι ασθενέστερη επειδή η Σελήνη έχει μικρότερη μάζα, το μικρό g είναι μόνο περίπου 1,62 m/s2.

Το μεγάλο G, από την άλλη πλευρά, θεωρείται παγκόσμιο. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι έχει την ίδια τιμή παντού στο σύμπαν. Καθορίζει τη βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο οποιωνδήποτε αντικειμένων, είτε πρόκειται για πλανήτες, ανθρώπους ή βάρη εργαστηρίου.

Η εξίσωση του Νεύτωνα υπολογίζει τη βαρυτική δύναμη πολλαπλασιάζοντας δύο μάζες, διαιρώντας με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους και πολλαπλασιάζοντας με το μεγάλο G. Μαθηματικά, ο νόμος εκφράζεται ως Gm1m2/r2.