Η 10ετής προσπάθεια ενός φυσικού για τον ακριβή προσδιορισμό της σταθεράς της παγκόσμιας έλξης G

Σύμφωνα με τον νόμο της παγκόσμιας έλξης του Ισαάκ Νεύτωνα, η βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο μαζών ισούται με τη βαρυτική σταθερά, G, πολλαπλασιασμένη με το γινόμενο των δύο μαζών διά του τετραγώνου της μεταξύ τους απόστασης.

Σε μορφή εξίσωσης, ο νόμος του Νεύτωνα εκφράζεται ως .

Στις 16 Απριλίου, ο φυσικός Stephan Schlamminger και οι συνεργάτες του από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Μέριλαντ δημοσίευσαν μια νέα μέτρηση του G [Redetermination of the gravitational constant with the BIPM torsion balance at NIST], προσθέτοντας άλλο ένα λιθαράκι στην προσπάθεια προσδιορισμού της ακριβούς της τιμής.

Τα αποτελέσματα παραμένουν ασυνεπή, υπογραμμίζοντας ότι η βαρυτική δύναμη είναι μια «δύσκολη» δύναμη. Οι μετρήσεις της σταθεράς G δείχνουν να αποκλίνουν μεταξύ τους, υπογραμμίζοντας πώς τα μικρά φαινόμενα υποβάθρου συνεχίζουν να επιβαρύνουν τις προσπάθειες μιας πολύ ακριβούς μέτρησης.

Ο Henry Cavendish, ήταν ο πρώτος επιστήμονας που προσπάθησε το 1798 να «ζυγίσει τη Γη» στο εργαστήριο. Αρκετά χρόνια μετά το πείραμα του Cavendish άλλοι επιστήμονες χρησιμοποιώντας τις ακριβέστατες μετρήσεις του Cavendish, υπολόγισαν την τιμή G=6,74×10^–11m³/kg/s ².

Πολλές μεταγενέστερες μετρήσεις της σταθεράς της βαρύτητας έχουν πραγματοποιηθεί, συχνά χρησιμοποιώντας παραλλαγές της πειραματικής διάταξης του Cavendish. Τα τελευταία 40 χρόνια, περίπου δώδεκα πειράματα υψηλής ακρίβειας έχουν αναφέρει τιμές του G που δεν συμφωνούν μεταξύ τους. «Όταν κοιτάζετε τα δεδομένα, υπάρχει μεγάλη διασπορά στις εκτιμήσεις», λέει ο Stephan Schlamminger. Οι τιμές διαφέρουν κατά αρκετές εκατοντάδες μέρη ανά εκατομμύριο (ppm), απόκλιση που είναι σχετικά μεγάλη σε σύγκριση με άλλες θεμελιώδεις σταθερές, όπως η σταθερά της ηλεκτροστατικής δύναμης (Coulomb), της οποίας οι αβεβαιότητες βρίσκονται σε επίπεδο μερών ανά δισεκατομμύριο.

Ένας λόγος για αυτές τις διαφορές μεταξύ των πειραματικών τιμών του G, σύμφωνα με τον Schlamminger, είναι το γεγονός ότι η βαρύτητα είναι μια πολύ ασθενής δύναμη, γεγονός που καθιστά δύσκολη την απομόνωσή της από εξωτερικές δυνάμεις και περιβαλλοντικές επιδράσεις. Ο Schlamminger μιλάει εκ πείρας: Αυτός και οι συνάδελφοί του έχουν περάσει την τελευταία δεκαετία προσπαθώντας να ελέγξουν και να μειώσουν τα σφάλματα των μετρήσεων. Η διάταξη της ομάδας NIST αναπαράγει ένα άλλο πείραμα που πραγματοποιήθηκε στο Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών (BIPM) στη Γαλλία. Το αποτέλεσμα από αυτό το προηγούμενο πείραμα, το οποίο αναφέρθηκε το 2014, έδωσε μία από τις μεγαλύτερες πρόσφατες τιμές του G, 200 ppm πάνω από τον παγκόσμιο μέσο όρο. Η επανάληψη αυτού του πειράματος ήταν επομένως ένα φυσικό σημείο εκκίνησης για την αναζήτηση της πηγής της ασυμφωνίας, σημειώνει ο Schlamminger.

Η διάταξη NIST-BIPM έχει αρκετά ξεχωριστά χαρακτηριστικά. Το πιο αξιοσημείωτο είναι ότι χρησιμοποιεί τέσσερις δοκιμαστικές μάζες αντί για τις δύο του αρχικού πειράματος του Cavendish. Ο Schlamminger εξηγεί ότι οι δύο επιπλέον μάζες μειώνουν την ευαισθησία σε βαρυτικές διαταραχές του υποβάθρου, όπως αυτές που προκαλούνται από ένα άτομο που περπατά μέσα στο εργαστήριο. Αλλά η διάταξη των τεσσάρων μαζών έχει και ένα μειονέκτημα: Η θέση των μαζών πρέπει να μετρηθεί με εξαιρετική ακρίβεια.

Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι η χρήση δύο ανεξάρτητων μετρήσεων δύναμης. Η μία είναι η παραδοσιακή μέθοδος ανίχνευσης της περιστροφής του ζυγού και εξαγωγής της ροπής επαναφοράς από την ίνα στήριξης. Η άλλη προσδιορίζει τη βαρυτική δύναμη μετρώντας μια ηλεκτροστατική δύναμη που την εξισορροπεί ακριβώς.

Οι ερευνητές του NIST πραγματοποίησαν παρατηρήσεις για αρκετά χρόνια, κατά την διάρκεια των οποίων απέκρυψαν («τύφλωσαν») τα δεδομένα τους για να αποφύγουν τη μεροληψία προς οποιαδήποτε συγκεκριμένη τιμή. Αφού τα δεδομένα αποκαλύφθηκαν, η εκτίμηση της ομάδας για το G ήταν 6,67387× 10⁻¹¹ m³/kg/s² , με αβεβαιότητα 57 ppm. Το αποτέλεσμα συμφωνεί με τον παγκόσμιο μέσο όρο εντός μιάς τυπικής απόκλισης, αλλά είναι 250 ppm χαμηλότερο από την τιμή του πειράματος BIPM.

Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι επιδράσεις του υποβάθρου εξακολουθούν να παίζουν ρόλο. Ο Schlamminger και οι συνάδελφοί του διερεύνησαν διάφορες πιθανές αιτίες, συμπεριλαμβανομένων των θερμοκρασιακών ανισορροπιών και των διακυμάνσεων της πυκνότητας στις μάζες, αλλά καμία δεν φάνηκε να είναι αρκετά σημαντική από μόνη της. «Δεν καταφέραμε να εντοπίσουμε μια μοναδική ‘αδιάσειστη απόδειξη’, οπότε πιθανότατα πρόκειται για ένα πλήθος αιτιών», αναφέρει.

Ενώ Schlamminger σχεδιάζει να κάνει ένα διάλειμμα από τις μετρήσεις του G, παραμένει ενθουσιώδης για μελλοντικά πειράματα χρησιμοποιώντας εναλλακτικές μεθόδους, δηλώνοντας: «Λατρεύω να κάνω μετρήσεις. Η επιστήμη των μετρήσεων είναι το πάθος μου. Ξέρω ότι είναι δύσκολο να το κατανοήσουν πολλοί άνθρωποι, αλλά έτσι είναι. Μπορεί να γίνει πολύ συναρπαστικό και να σου προσφέρει μεγάλη ικανοποίηση».

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες:
1. Gravitational Constant’s Value Still Up in the Air – https://physics.aps.org/articles/v19/64
2. One scientist’s 10-year quest to calculate the strength of gravity – https://physics.aps.org/articles/v19/64

Κατηγορίες:ΒΑΡΥΤΗΤΑ

Ετικέτες: PHYSICS