Το μυστικό του σφραγισμένου φακέλου: Ύστερα από 10 χρόνια, η βαρύτητα εξακολουθεί να διχάζει τους επιστήμονες
Για περισσότερα από 200 χρόνια, οι επιστήμονες πασχίζουν να προσδιορίσουν την ακριβή ισχύ της βαρύτητας — και ένας φυσικός πέρασε μια δεκαετία κυνηγώντας την απάντηση, κρατώντας τα ίδια του τα αποτελέσματα κρυμμένα από τον εαυτό του.
Ο Στέφαν Σλάμινγκερ (Stephan Schlamminger) και η ομάδα του στο NIST αναπαρήγαγαν σχολαστικά ένα ιστορικό γαλλικό πείραμα που σχεδιάστηκε για τη μέτρηση του «μεγάλου G», της παγκόσμιας σταθεράς της βαρύτητας που διέπει τα πάντα, από τα μήλα που πέφτουν μέχρι τους γαλαξίες.
Όταν τελικά άνοιξε έναν σφραγισμένο φάκελο που περιείχε τον μυστικό αριθμό που χρειαζόταν για την αποκωδικοποίηση του πειράματος, τα αποτελέσματα έφεραν τόσο ανακούφιση όσο και απογοήτευση.
Για περισσότερους από δύο αιώνες, οι επιστήμονες προσπαθούν να προσδιορίσουν έναν από τους πιο σημαντικούς αριθμούς στη φυσική: την παγκόσμια σταθερά της βαρύτητας, γνωστή ως «μεγάλο G».
Καθορίζει την ισχύ της βαρύτητας σε ολόκληρο το σύμπαν, επηρεάζοντας τα πάντα, από τα αντικείμενα που πέφτουν στη Γη μέχρι την κίνηση των γαλαξιών. Ωστόσο, παρά τη σημασία της, οι ερευνητές εξακολουθούν να μην μπορούν να συμφωνήσουν για την ακριβή τιμή της.
Αυτή η αβεβαιότητα βάραινε πολύ τον Στέφαν Σλάμινγκερ (Stephan Schlamminger), έναν φυσικό στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST), καθώς ετοιμαζόταν να ανοίξει έναν σφραγισμένο φάκελο που περιείχε έναν κρίσιμο μυστικό αριθμό.
Για σχεδόν 10 χρόνια, ο Σλάμινγκερ είχε αφιερώσει μεγάλο μέρος της καριέρας του στη μέτρηση του «μεγάλου G» με εξαιρετική ακρίβεια. Ο κρυμμένος αριθμός μέσα στον φάκελο θα του επέτρεπε επιτέλους να αποκωδικοποιήσει τα αποτελέσματα της ομάδας του.
Η βαρύτητα μπορεί να διαμορφώνει το σύμπαν, αλλά είναι παραδόξως ασθενής σε σύγκριση με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Ο ηλεκτρομαγνητισμός, για παράδειγμα, είναι πολύ ισχυρότερος.
Ακόμη και ένας μικροσκοπικός μαγνήτης μπορεί να σηκώσει έναν συνδετήρα, υπερνικώντας την έλξη ολόκληρου του βαρυτικού πεδίου της Γης.
Αυτή η αδυναμία μετατρέπεται σε μια τεράστια πρόκληση στο εργαστήριο. Οι επιστήμονες πρέπει να μετρήσουν τη βαρυτική έλξη ανάμεσα σε σχετικά μικρά αντικείμενα, και αυτές οι δυνάμεις είναι απίστευτα ασθενείς.
Οι μάζες που χρησιμοποιούνται στα πειράματα είναι περίπου 500 δισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές μικρότερες από τη Γη, καθιστώντας τη μεταξύ τους βαρυτική έλξη εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθεί με ακρίβεια.
Οι ερευνητές έχουν περάσει περισσότερα από 225 χρόνια προσπαθώντας να βελτιώσουν τις μετρήσεις του «μεγάλου G», από τότε που ο Ισαάκ Νεύτων περιέγραψε για πρώτη φορά τη βαρύτητα μαθηματικά.
Παρά τον ολοένα και πιο προηγμένο εξοπλισμό, τα σύγχρονα πειράματα εξακολουθούν να παράγουν ελαφρώς διαφορετικές απαντήσεις. Οι διαφορές είναι ελάχιστες, περίπου ένα μέρος στα 10.000, αλλά είναι μεγαλύτερες από τις αναμενόμενες πειραματικές αβεβαιότητες.
Αυτό έχει εγείρει ένα άβολο ερώτημα. Μήπως οι επιστήμονες παραβλέπουν ανεπαίσθητα ελαττώματα στα πειράματά τους ή υπάρχει κάτι ελλιπές στην ίδια μας την κατανόηση για τη βαρύτητα;
Για να διερευνήσουν την απόκλιση, ο Σλάμινγκερ και οι συνεργάτες του αποφάσισαν να αναπαράγουν ένα εξαιρετικά αναγνωρισμένο πείραμα που πραγματοποιήθηκε το 2007 από το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών (BIPM) στις Σέβρες της Γαλλίας.
Ο στόχος ήταν απλός στη βάση του: να διαπιστωθεί εάν μια ανεξάρτητη ομάδα στο NIST στο Γκέιθερσμπουργκ του Μέριλαντ θα μπορούσε να επιτύχει το ίδιο αποτέλεσμα.
Ο Σλάμινγκερ ήθελε επίσης να αποφύγει κάθε πιθανότητα προκατάληψης. Ανησυχούσε ότι η γνώση της αναμενόμενης τιμής θα μπορούσε ασυνείδητα να επηρεάσει την ανάλυσή του.
Για να το αποτρέψει αυτό, ζήτησε από τον συνάδελφό του Πάτρικ Άμποτ (Patrick Abbott) να αλλοιώσει ένα μέρος των δεδομένων.
Ο Άμποτ αφαίρεσε κρυφά μια απόρρητη τιμή από τις μετρήσεις που αφορούσαν κάποιες από τις πειραματικές μάζες. Μόνο ο Άμποτ γνώριζε αυτόν τον αριθμό. Μέχρι να ανοιχτεί ο φάκελος, ο Σλάμινγκερ δεν είχε κανέναν τρόπο να γνωρίζει την πραγματική τιμή που είχε προκύψει από το πείραμά του.
Ο φάκελος είχε σχεδόν ανοιχτεί άλλη μία φορά στο παρελθόν. Το 2022, ο Σλάμινγκερ ήταν έτοιμος να αποκαλύψει το αποτέλεσμα, αλλά σταμάτησε την τελευταία στιγμή όταν συνειδητοποίησε ότι μια ανεπαίσθητη επίδραση 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 Ακριβών Ηλεκτρομαγνητικών Μετρήσεων στην Ορόρα του Κολοράντο, η στιγμή είχε φτάσει.
Ο Σλάμινγκερ απέφυγε να παρακολουθήσει τις πρωινές συνεδρίες του συνεδρίου, απορροφημένος από ανησυχίες για τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, τις μεταβολές της πίεσης και άλλες ανεπαίσθητες επιδράσεις που θα μπορούσαν να αλλοιώσουν τα αποτελέσματα.
«Είχα πραγματικά φροντίσει και την παραμικρή λεπτομέρεια του πειράματος», δήλωσε ο ίδιος. Κατά τη διάρκεια της απογευματινής του παρουσίασης, άνοιξε τον φάκελο και διάβασε τον κρυμμένο αριθμό του Άμποτ. Αρχικά, ένιωσε ανακούφιση.
Η απόρρητη τιμή έπρεπε να είναι μεγάλη και αρνητική, ώστε το πείραμα να ευθυγραμμίζεται με τις προσδοκίες. Και ήταν. Καθώς όμως η ημέρα κυλούσε, αυτή η ανακούφιση έσβησε. Ο αριθμός ήταν υπερβολικά μεγάλος για να μπορέσουν τα αποτελέσματα του NIST να ταυτιστούν με το προγενέστερο γαλλικό πείραμα.
Μετά από δύο επιπλέον χρόνια λεπτομερούς ανάλυσης, ο Σλάμινγκερ και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο περιοδικό Metrologia. Η τιμή που μέτρησαν για το G ήταν 6,67387×10⁻¹¹ μέτρα³/κιλό/δευτερόλεπτο², η οποία είναι κατά 0,0235% χαμηλότερη από τη γαλλική μέτρηση.
Αυτό μπορεί να ακούγεται ασήμαντο, αλλά οι φυσικοί λαμβάνουν τέτοιες διαφορές πολύ σοβαρά. Οι περισσότερες από τις άλλες θεμελιώδεις σταθερές είναι γνωστές με ακρίβεια έξι ή περισσότερων σημαντικών ψηφίων, παρουσιάζοντας πολύ μεγαλύτερη σύγκλιση.
Η απόκλιση δεν είναι αρκετά μεγάλη ώστε να επηρεάσει την καθημερινή ζωή. Δεν πρόκειται να αλλάξει το βάρος σας σε μια ζυγαριά μπάνιου ούτε θα μεταβάλει τον τρόπο με τον οποίο οι κατασκευαστές μετρούν τα συστατικά, όπως το φυστικοβούτυρο για ένα βάζο 450 γραμμαρίων.
Ωστόσο, σε όλη την ιστορία της επιστήμης, οι μικροσκοπικές ασυνέπειες έχουν οδηγήσει μερικές φορές σε μεγάλες ανακαλύψεις και έχουν αποκαλύψει κρυφά κενά στις υπάρχουσες θεωρίες.
Τόσο το πείραμα του BIPM όσο και αυτό του NIST βασίστηκαν σε μια συσκευή που ονομάζεται ζυγός στρέψης, η οποία ανιχνεύει εξαιρετικά μικρές δυνάμεις μετρώντας πόσο συστρέφεται μια λεπτή ίνα.
Η τεχνική αυτή ανάγεται στον Άγγλο φυσικό Χένρι Κάβεντις (Henry Cavendish), ο οποίος πραγματοποίησε ένα πρωτοποριακό πείραμα βαρύτητας το 1798. Ο Κάβεντις κρέμασε δύο σφαίρες μολύβδου από ένα σύρμα και τοποθέτησε μεγαλύτερες μάζες σε κοντινή απόσταση.
Η βαρυτική έλξη μεταξύ τους προκάλεσε την ελαφριά περιστροφή της κρεμασμένης ράβδου, συστρέφοντας το σύρμα. Μετρώντας αυτή την κίνηση, ο Κάβεντις εκτίμησε την ισχύ της βαρύτητας. Οι σύγχρονες εκδοχές που χρησιμοποιήθηκαν από το BIPM και το NIST ήταν πολύ πιο προηγμένες. Οι διατάξεις περιλάμβαναν οκτώ κυλινδρικές μεταλλικές μάζες.
Τέσσερις μεγαλύτεροι κύλινδροι ήταν τοποθετημένοι πάνω σε έναν περιστρεφόμενο δίσκο, ενώ τέσσερις μικρότερες μάζες ήταν κρεμασμένες στο εσωτερικό πάνω σε μια ταινία χαλκού-βηρυλλίου, η οποία είχε πάχος περίπου όσο μια ανθρώπινη τρίχα.
Καθώς οι εξωτερικές μάζες έλκυαν τις εσωτερικές, ο ζυγός στρέψης περιστρεφόταν και συστρεφόταν η ταινία. Η μέτρηση αυτής της απειροελάχιστης κίνησης παρείχε μια εκτίμηση για το «μεγάλο G». Οι ομάδες χρησιμοποίησαν επίσης μια δεύτερη τεχνική που περιλάμβανε ηλεκτρισμό.
Οι ερευνητές εφάρμοσαν ηλεκτρική τάση σε ηλεκτρόδια κοντά στις εσωτερικές μάζες, δημιουργώντας μια ηλεκτροστατική δύναμη που εξουδετέρωνε τη βαρύτητα. Ρυθμίζοντας προσεκτικά την τάση μέχρι ο ζυγός να σταματήσει να περιστρέφεται, εξασφάλισαν ακόμα μία ανεξάρτητη μέτρηση του G.
Η ομάδα του Σλάμινγκερ πρόσθεσε ένα επιπλέον βήμα στο πείραμα. Για να διαπιστώσουν εάν το ίδιο το υλικό θα μπορούσε να επηρεάσει τη μέτρηση, επανέλαβαν τη μελέτη χρησιμοποιώντας μάζες τόσο από χαλκό όσο και από ζαφείρι.
Τα αποτελέσματα ήταν σχεδόν πανομοιότυπα, υποδηλώνοντας ότι η σύνθεση των μαζών δεν ευθυνόταν για την απόκλιση. Αν και το πείραμα δεν έλυσε το μυστήριο γύρω από το «μεγάλο G», πρόσθεσε ακόμα ένα σημαντικό δεδομένο στον αυξανόμενο όγκο των αποδεικτικών στοιχείων.
«Κάθε μέτρηση είναι σημαντική, επειδή η αλήθεια έχει σημασία», δήλωσε ο Σλάμινγκερ. «Για μένα, η πραγματοποίηση μιας ακριβούς μέτρησης είναι ένας τρόπος να φέρεις τάξη στο σύμπαν, ανεξάρτητα από το αν ο αριθμός συμφωνεί ή όχι με την αναμενόμενη τιμή», πρόσθεσε ο ίδιος.
Μετά από μια δεκαετία ενασχόλησης με το πρόβλημα, ο Σλάμινγκερ δηλώνει έτοιμος να προχωρήσει παρακάτω. «Θα αφήσω στις νεότερες γενιές επιστημόνων το έργο να ασχοληθούν με αυτό το πρόβλημα», πρόσθεσε ο ίδιος. «Πρέπει να συνεχίσουμε την προσπάθεια».
Ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα περιλαμβάνει 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 έλξη ανάμεσα σε οποιαδήποτε δύο αντικείμενα, είτε πρόκειται για πλανήτες, είτε για ανθρώπους, είτε για εργαστηριακά βάρη.
Η εξίσωση του Νεύτωνα υπολογίζει τη βαρυτική δύναμη πολλαπλασιάζοντας δύο μάζες μεταξύ τους, διαιρώντας το αποτέλεσμα με το τετράγωνο της απόστασης που τις χωρίζει και πολλαπλασιάζοντας με το μεγάλο G. Σε μαθηματική μορφή, ο νόμος εκφράζεται ως Gm₁m₂/r².