Οι επιστήμονες άνοιξαν έναν σφραγισμένο φάκελο 10 χρόνια αργότερα και η βαρύτητα ακόμα δεν είχε νόημα

Η αβεβαιότητα επιβάρυνε πολύ τον Stephan Schlumminger, φυσικό στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST), καθώς ετοιμαζόταν να ανοίξει έναν σφραγισμένο φάκελο που περιείχε έναν σημαντικό μυστικό αριθμό. Για περίπου 10 χρόνια, ο Schlaminger αφιέρωσε το μεγαλύτερο μέρος της καριέρας του σε μεγάλες μετρήσεις σολ με αξιοσημείωτη ακρίβεια. Ο αριθμός που είναι κρυμμένος μέσα στον φάκελο θα του επιτρέψει τελικά να αποκωδικοποιήσει τα αποτελέσματα της ομάδας του.

Γιατί είναι τόσο δύσκολη η μέτρηση της βαρύτητας;

Η βαρύτητα μπορεί να διαμορφώνει το σύμπαν, αλλά είναι εκπληκτικά αδύναμη σε σύγκριση με άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Ο ηλεκτρομαγνητισμός, για παράδειγμα, είναι πολύ ισχυρός. Ακόμη και ένας μικροσκοπικός μαγνήτης μπορεί να σηκώσει έναν συνδετήρα ενάντια στην έλξη ολόκληρου του βαρυτικού πεδίου της Γης.

Αυτή η αδυναμία θέτει μια τεράστια πρόκληση στο εργαστήριο. Οι επιστήμονες πρέπει να μετρήσουν τη βαρυτική έλξη μεταξύ σχετικά μικρών αντικειμένων, και αυτές οι δυνάμεις είναι απίστευτα αδύναμες. Οι μάζες που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα είναι περίπου 500 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές μικρότερες από τη Γη, γεγονός που καθιστά εξαιρετικά δύσκολο τον ακριβή εντοπισμό της βαρυτικής έλξης μεταξύ τους.

Οι ερευνητές έχουν αφιερώσει περισσότερα από 225 χρόνια τελειοποιώντας μετρήσεις μεγάλης κλίμακας σολ Από τότε που ο Ισαάκ Νεύτων περιέγραψε για πρώτη φορά τη βαρύτητα μαθηματικά. Παρά τον ολοένα και πιο προηγμένο εξοπλισμό, οι σύγχρονες δοκιμές εξακολουθούν να παράγουν ελαφρώς διαφορετικές απαντήσεις. Οι διαφορές είναι μικρές, περίπου ένα μέρος στις 10.000, αλλά είναι μεγαλύτερες από τις αναμενόμενες πειραματικές αβεβαιότητες.

Αυτό εγείρει ένα άβολο ερώτημα. Παραβλέπουν οι επιστήμονες λεπτές ατέλειες στα πειράματά τους ή υπάρχει κάτι ελλιπές στην κατανόησή μας για τη βαρύτητα;

Αναδημιουργώντας ένα ορόσημο πείραμα βαρύτητας

Για να διερευνήσουν την ασυμφωνία, ο Schlaminger και οι συνεργάτες του αποφάσισαν να το κάνουν Το Edited είναι ένα αντίγραφο δοκιμής με μεγάλη εκτίμηση από το International Bureau of Weights and Measures (BIPM) στις Σεβρές της Γαλλίας το 2007. Ο στόχος ήταν απλός κατ’ αρχήν: δείτε εάν μια ανεξάρτητη ομάδα στο NIST στο Gaithersburg, Maryland, θα μπορούσε Πάρτε το ίδιο αποτέλεσμα.

Ο Σλέμινγκερ ήθελε επίσης να αποφύγει κάθε πιθανότητα μεροληψίας. Ανησυχεί ότι η γνώση της αναμενόμενης αξίας μπορεί ασυνείδητα να επηρεάσει την ανάλυσή του. Για να το αποτρέψει αυτό, ζήτησε από τον συνάδελφο Πάτρικ Άμποτ να ανακατέψει ορισμένα από τα δεδομένα.

Ο Abbott αφαίρεσε κρυφά μια κρυφή τιμή από μερικές πειραματικές μετρήσεις μάζας. Μόνο ο Άμποτ ήξερε τον αριθμό. Μέχρι να ανοίξει ο φάκελος, ο Schlaminger δεν είχε τρόπο να γνωρίζει την πραγματική αξία που παράγεται στα πειράματά του.

στιγμή της αλήθειας

Ο φάκελος είχε ανοίξει σχεδόν μια φορά στο παρελθόν. Το 2022, ο Schlaminger ήταν έτοιμος να δημοσιεύσει τα αποτελέσματα, αλλά σταμάτησε την τελευταία στιγμή αφού συνειδητοποίησε ότι μια ανεπαίσθητη επίδραση της πίεσης του αέρα θα μπορούσε να επηρεάσει τις μετρήσεις. Ανέβαλε τα αποκαλυπτήρια και συνέχισε να βελτιώνει την ανάλυση.

Τελικά, στις 11 Ιουλίου 2024, στο ετήσιο Συνέδριο Ηλεκτρομαγνητικών Μετρήσεων Ακριβείας στην Aurora του Κολοράντο, έφτασε η στιγμή.

Ο Schlaminger παρέλειψε τις πρωινές συνεδρίες του συνεδρίου, απασχολημένος με την ανησυχία για τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, τις αλλαγές πίεσης και άλλες μικρές επιπτώσεις που θα μπορούσαν να αλλοιώσουν τα αποτελέσματα. «Πραγματικά έβαλα κουκκίδες σε όλα τα i και πέρασα όλα τα t στο τεστ», είπε.

Κατά τη διάρκεια της απογευματινής παρουσίασης, άνοιξε τον φάκελο και διάβασε τον κρυμμένο αριθμό του Άμποτ. Στην αρχή ένιωσε ανακούφιση. Η λανθάνουσα τιμή πρέπει να είναι μεγάλη και αρνητική για να συμμορφωθεί η δοκιμή με την προσδοκία.

ήταν.

Αλλά καθώς περνούσε η μέρα, αυτή η ανακούφιση έσβησε. Αυτός ο αριθμός είναι πολύ υψηλός για τα αποτελέσματα του NIST να ταιριάζουν με προηγούμενες δοκιμές στα γαλλικά.

Νέα αναντιστοιχία στο Big G

Μετά από δύο ακόμη χρόνια λεπτομερούς ανάλυσης, ο Schlaminger και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους Μετρολογία. Για τις τιμές μέτρησής τους σολ ήταν 6,67387×10^-11 μέτρο³/kg/sec²Που είναι 0,0235% λιγότερο από το γαλλικό μέτρο.

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

Η διαφορά δεν είναι αρκετά μεγάλη για να επηρεάσει την καθημερινή ζωή. Δεν θα αλλάξει το βάρος σας στη ζυγαριά του μπάνιου ούτε θα αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο οι κατασκευαστές μετρούν συστατικά όπως το φυστικοβούτυρο για ένα βάζο 16 ουγκιών. Ωστόσο, σε όλη την επιστημονική ιστορία, μικρές αποκλίσεις μερικές φορές οδηγούν σε μεγάλες ανακαλύψεις και αποκαλύπτουν κρυμμένα κενά στις υπάρχουσες θεωρίες.

Πώς οι επιστήμονες μετρούν τη βαρύτητα

Τόσο οι δοκιμές BIPM όσο και NIST βασίζονται σε μια συσκευή που ονομάζεται ισορροπία στρέψης, η οποία ανιχνεύει εξαιρετικά μικρές δυνάμεις μετρώντας πόσο περιστρέφεται μια λεπτή ίνα.

Η τεχνική ανάγεται στον Άγγλο φυσικό Henry Cavendish, ο οποίος διεξήγαγε ένα πρωτοποριακό πείραμα βαρύτητας το 1798. Ο Cavendish ανάρτησε δύο σφαίρες μολύβδου από ένα σύρμα και τοποθέτησε μεγάλες μάζες κοντά. Η αναρτημένη δέσμη περιστρέφεται ελαφρά λόγω της βαρυτικής έλξης μεταξύ τους, στρίβοντας το σύρμα. Μετρώντας αυτή την ταχύτητα, ο Κάβεντις υπολόγισε τη δύναμη της βαρύτητας.

Οι σύγχρονες εκδόσεις που χρησιμοποιήθηκαν από το BIPM και το NIST ήταν πολύ πιο προηγμένες. Οι ρυθμίσεις περιλάμβαναν οκτώ κυλινδρικές μεταλλικές μάζες. Τέσσερις μεγάλοι κύλινδροι κάθονταν σε ένα περιστρεφόμενο καρουζέλ, ενώ τέσσερις μικρότερες μάζες κρέμονταν μέσα σε μια κορδέλα από χαλκό-βηρύλλιο πάχος περίπου όσο μια ανθρώπινη τρίχα.

Καθώς οι εξωτερικές μάζες έλκουν τις εσωτερικές, η ισορροπία της στρέψης αναγκάζει την κορδέλα να στρίβει και να στρίβει. Αυτή η μικρή μέτρηση ταχύτητας παρέχει μια μεγάλη εκτίμηση σολ.

Οι ομάδες χρησιμοποίησαν επίσης μια δεύτερη στρατηγική που αφορούσε την ηλεκτρική ενέργεια. Οι ερευνητές εφάρμοσαν τάση σε ηλεκτρόδια κοντά στην εσωτερική μάζα, δημιουργώντας μια ηλεκτροστατική δύναμη που εξουδετερώνει τη βαρύτητα. Ρυθμίζοντας προσεκτικά την τάση μέχρι να σταματήσει να περιστρέφεται η ισορροπία, έλαβαν μια άλλη ανεξάρτητη μέτρηση σολ.

Δοκιμή μαζών χαλκού και ζαφείρι

Η ομάδα του Schlaminger πρόσθεσε ένα επιπλέον βήμα στο πείραμα. Για να προσδιορίσουν εάν το ίδιο το υλικό θα μπορούσε να επηρεάσει τη μέτρηση, επανέλαβαν τη μελέτη χρησιμοποιώντας μάζες χαλκού και ζαφείρι.

Τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν πανομοιότυπα, υπονοώντας ότι η σύνθεση του πληθυσμού δεν ευθύνεται για την απόκλιση.

Ωστόσο, το μεγάλο μυστήριο σχετικά με το τεστ δεν έχει λυθεί σολΑυτό πρόσθεσε ένα άλλο σημαντικό στοιχείο δεδομένων στον αυξανόμενο όγκο αποδεικτικών στοιχείων.

«Κάθε μέτρο έχει σημασία, γιατί η αλήθεια έχει σημασία», είπε ο Schlaminger. «Για μένα, μια ακριβής μέτρηση είναι ένας τρόπος να βάλεις τάξη στο σύμπαν, είτε ο αριθμός συμφωνεί με την αναμενόμενη τιμή είτε όχι», πρόσθεσε.

Αφού πέρασε μια δεκαετία επιδιώκοντας το θέμα, ο Schlaminger λέει ότι είναι έτοιμος να προχωρήσει.

«Θα αφήσω στη νεότερη γενιά επιστημόνων να ασχοληθούν με το πρόβλημα», πρόσθεσε.

«Πρέπει να πιέσουμε».

Big G vs Small G

Ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα περιέχει και ένα «μεγάλο σολ” και λίγο “g”, αλλά περιγράφουν διαφορετικά πράγματα.

Το μικρό G αναφέρεται στην επιτάχυνση που οφείλεται στη βαρύτητα ενός μεγάλου αντικειμένου όπως η Γη. Στην επιφάνεια της Γης, το g είναι περίπου 9,8 m/s2. Στη Σελήνη, όπου η βαρύτητα είναι ασθενέστερη επειδή η Σελήνη έχει μικρότερη μάζα, το ελαφρύ g είναι μόνο 1,62 m/s.².

μεγάλος σολΑπό την άλλη πλευρά, θεωρείται καθολική. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι έχει την ίδια αξία παντού στο σύμπαν. Καθορίζει τη βαρυτική δύναμη μεταξύ οποιωνδήποτε δύο αντικειμένων, είτε αφορά το βάρος ενός πλανήτη, ενός ανθρώπου ή ενός εργαστηρίου.

Η εξίσωση του Νεύτωνα υπολογίζει τη βαρυτική δύναμη πολλαπλασιάζοντας τις δύο μάζες μαζί, διαιρώντας με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους και πολλαπλασιάζοντας με το μεγάλο G. Γράφοντας μαθηματικά, ο τύπος εκφράζεται ως το χωριό₁Mr₂/r².