دانشمندان پس از 10 سال یک پاکت مهر و موم شده را باز کردند. جاذبه هنوز معنی نداشت

او کاملاً مطمئن نبود که می خواهد آن را باز کند یا خیر.

شلمینگر، فیزیکدان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST)، بیشتر دهه گذشته را صرف اندازه‌گیری ثابت گرانشی جهانی کرد. برای فیزیکدانان به عنوان یک بزرگ شناخته می شود ز، این عدد اساسی قدرت جاذبه گرانشی را در سراسر جهان تعیین می کند.

عدد پنهان در پاکت، کلیدی بود که در نهایت داده های تجربی او را رمزگشایی می کرد و نشان می داد که تیمش چه چیزی را اندازه گیری کرده بود.

گریزان ترین عدد جاذبه

جاذبه یکی از آشناترین نیروها در زندگی روزمره است. انسان را به زمین لنگر می‌اندازد، سیارات را به دور خورشید هدایت می‌کند، به جمع‌آوری ستاره‌ها در کهکشان‌ها کمک می‌کند، و نقشی مرکزی در شکل‌دهی شبکه کیهانی وسیع خوشه‌های کهکشانی ایفا می‌کند که در سراسر جهان امتداد دارد.

با این حال، دانشمندان هنوز نیروی بنیادی آن را با دقتی که برای دیگر نیروهای بنیادی طبیعت به دست آورده‌اند، نمی‌دانند.

این قدرت با بزرگ نشان داده می شود ز.

دانشمندان در تلاش برای اندازه گیری بزرگ هستند ز برای بیش از 225 سال، تقریباً یک قرن پس از آن که اسحاق نیوتن قانون گرانش جهانی خود را معرفی کرد. علیرغم نسل‌ها آزمایش‌های پیچیده‌تر، ثابت گرانشی کمتر از ثابت‌های قابل مقایسه مرتبط با سه نیروی بنیادی دیگر طبیعت شناخته شده است: الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف.

بخشی از مشکل به طرز شگفت آوری ساده است. جاذبه به شدت ضعیف است.

یک آهنربای کوچک می تواند مشکل را نشان دهد. آهنربایی به اندازه یک سر سوزن می تواند یک گیره کاغذ را در برابر کشش گرانشی کل زمین بلند کند. در این رقابت ساده، نیروی الکترومغناطیسی تولید شده توسط آهنربا به راحتی بر گرانش غلبه می کند.

چالش در آزمایشگاه حتی بیشتر می شود. دانشمندان نمی‌توانند سیارات را برای انجام آزمایش‌های کنترل‌شده جابه‌جا کنند، بنابراین باید جاذبه گرانشی را بین اجرام بسیار کوچک‌تری که می‌توان وزن‌کرده و دقیق در آن قرار داد اندازه‌گیری کرد.

این جرم های آزمایشی حدود 500 میلیارد تریلیون بار کوچکتر از زمین هستند. در نتیجه، نیروهای گرانشی که محققان در تلاش برای تشخیص آن هستند، بسیار ضعیف هستند.

اندازه گیری هایی که از توافق خودداری می کنند

ابزارهای مدرن بسیار حساس شده اند، اما اندازه گیری ها بزرگ هستند ز به تولید پاسخ های کمی متفاوت ادامه دهید.

اختلافات کوچک هستند، تقریباً یک قسمت در 10000. با این حال آنها هنوز بزرگتر از آن چیزی هستند که محققان از عدم قطعیت تجربی معمولی انتظار دارند.

این ناهماهنگی مداوم یک سوال ناخوشایند برای فیزیکدانان ایجاد کرده است.

محتمل ترین توضیح این است که برخی از اثرات تجربی ظریف نادیده گرفته شده است. اما احتمال بسیار جالب تری نیز وجود دارد: شاید دانشمندان چیزی را در مورد خود گرانش از دست داده باشند.

شلمینگر و همکارانش امیدوار بودند که با تکرار دقیق آزمایش دقیقی که توسط دفتر بین‌المللی اوزان و اندازه‌ها (BIPM) در سورس فرانسه در سال 2007 انجام شد، موضوع را روشن کنند.

ایده روشن بود. اگر یک تیم مستقل در پردیس NIST در Gaithersburg، مریلند، بتواند اندازه گیری فرانسوی را با استفاده از همان رویکرد بازتولید کند، می تواند به حل مناقشه پیرامون بزرگ کمک کند. ز.

اما شلمینگر نگران منبع دیگری از خطا بود: خودش.

دانشمندان می توانند به طور ناخواسته بر نحوه تفسیر یا تجزیه و تحلیل اندازه گیری ها تأثیر بگذارند، زمانی که بدانند چه پاسخی باید انتظار داشته باشند. شلمینگر می خواست این احتمال را تا حد امکان از بین ببرد.

بنابراین او از همکار خود پاتریک ابوت خواست تا با کدگذاری برخی از داده ها، آزمایش را کور کند.

ابوت یک عدد مخفی را از وزن های دقیق اندازه گیری شده برخی از جداول مورد استفاده در آزمایش استنتاج کرد. از آنجایی که فقط ابوت این عدد را می دانست، شلمینگر می توانست آزمایش را بدون دانستن ارزش واقعی بزرگ تجزیه و تحلیل کند ز تیم او تولید کرد.

تصحیح مورد نیاز برای بازگرداندن پاسخ واقعی در یک پاکت مهر و موم شده بود.

ده سال کار به یک پاکت کاهش یافت

شلمینگر تقریباً در سال 2022 پاکت را باز کرد.

با این حال، در آخرین لحظه، او متوجه شد که تیم به طور کامل یک اثر ظریف مربوط به فشار هوا را در نظر نگرفته است. از آنجایی که حتی اغتشاشات کوچک می توانند در چنین آزمایش حساسی تفاوت ایجاد کنند، او کشف را به تعویق انداخت و به تحلیل بازگشت.

دو سال بعد بالاخره لحظه فرا رسید.

ساعت 3 بعد از ظهر در 11 جولای 2024، شلمینگر قرار بود نتایج را در کنفرانس سالانه اندازه‌گیری‌های الکترومغناطیسی دقیق در آرورا، کلرادو ارائه کند.

آنقدر نگران بود که جلسات صبحگاهی را از دست داد. در عوض، او به طور ذهنی بسیاری از چیزهایی را که می‌توانند اندازه‌گیری را مخدوش کنند، از جمله تغییرات کوچک دما و فشار، مرور کرد.

تا آن زمان، او معتقد بود که تیم تمام تلاش خود را کرده است.

او گفت: «من واقعاً iها را نقطه‌گذاری کرده بودم و از تمام t‌های آزمایش عبور کردم.

شلمینگر در طول سخنرانی بعد از ظهر خود، سرانجام شماره پنهان را فاش کرد.

بلافاصله احساس آرامش کرد.

برای اینکه آزمایش به نتیجه ای برسد که او انتظار داشت، تصحیح مخفی ابوت باید نسبتاً بزرگ و منفی باشد.

بود.

در ابتدا این خبر خوبی به نظر می رسید.

اما با گذشت روز، شلمینگر متوجه شد که مشکلی وجود دارد. اصلاح خیلی زیاد بود. پس از بازیابی داده های کور، اندازه گیری NIST با نتیجه فرانسوی مطابقت نداشت.

یک تفاوت کوچک با عواقب بزرگ

پس از دو سال تجزیه و تحلیل دقیق، شلمینگر و همکارانش اندازه گیری خود را گزارش کردند مترولوژی.

ارزش آنها برای ز 6.67387 × 10 بود^-11 متر³/کیلوگرم/ثانیه².

این نتیجه 0.0235٪ کمتر از مقدار به دست آمده در آزمایش فرانسوی است.

در زندگی عادی، چنین تفاوت کوچکی بی معنی خواهد بود. این به میزان قابل توجهی در مقیاس حمام تغییر نمی کند و بر میزان کره بادام زمینی مورد نیاز برای ساخت یک ظرف 16 اونسی تأثیر نمی گذارد.

با این حال، برای فیزیک بنیادی، این اختلاف قابل توجه است.

سایر ثابت های بنیادی طبیعت به شش یا بیشتر از رقم های مهم شناخته می شوند. بزرگ ز سرسختانه مبهم تر می ماند.

تاریخ همچنین به فیزیکدانان دلیلی می دهد که به ناهماهنگی های کوچک توجه کنند. در چندین مورد، اختلافات کوچک بین اندازه‌گیری‌ها و انتظارات در نهایت نشان داد که دانشمندان چیز مهمی را در مورد نحوه عملکرد طبیعت از دست داده‌اند.

این به معنای اختلاف نظر زیاد نیست ز به فیزیک جدید اشاره می کند. خطای تجربی توضیح محتمل تر است. اما ناتوانی مداوم آزمایش‌های دقیق برای همگرایی روی همان مقدار، راز را زنده نگه می‌دارد.

آزمایش با ریشه در سال 1798

تکنیک استفاده شده توسط هر دو تیم BIPM و NIST سابقه ای به بیش از دو قرن دارد.

آزمایشات آنها بر تعادل پیچشی تکیه داشت، ابزاری که قادر به تشخیص نیروهای بسیار کوچک با اندازه گیری میزان پیچش یک فیبر معلق نازک بود.

ایده اصلی به آزمایش معروفی برمی گردد که توسط فیزیکدان انگلیسی هنری کاوندیش در سال 1798 انجام شد.

کاوندیش دو گلوله سربی را در انتهای مقابل یک تیر چوبی قرار داد که با سیم نازکی از مرکز به صورت افقی آویزان شده بود. سپس دو توده بسیار سنگین تر را در نزدیکی خود قرار داد.

توده‌های سنگین‌تر به‌طور گرانشی توپ‌های سربی کوچک‌تر را جذب کردند و باعث چرخش پرتو معلق شدند. همانطور که پرتو می چرخد، سیم می پیچد تا زمانی که مقاومت آن کشش گرانشی را متعادل کند.

کاوندیش با اندازه‌گیری حرکت کوچک پرتو با یک آینه و یک نشانگر نور، می‌تواند برهم‌کنش گرانشی بین جرم‌ها را تعیین کند و اطلاعات مربوط به مقدار بزرگ را به دست آورد. ز.

بیش از 200 سال بعد، همان اصل اساسی همچنان مفید است، اگرچه تجهیزات به طور قابل توجهی پیچیده تر شده اند.

اندازه گیری نیرویی که تقریباً برای دیدن آن بسیار کوچک است

آزمایش‌های BIPM و NIST از هشت جرم فلزی استوانه‌ای استفاده کردند.

چهار استوانه بزرگتر روی یک چرخ فلک چرخان به شکلی شبیه به چهار شمعدان روی یک لوستر قدیمی چیده شده بودند. چهار توده کوچکتر در داخل چرخ فلک روی یک دیسک آویزان از یک نوار مسی بریلیوم به ضخامت یک موی انسان قرار داشتند.

گرانش بین توده های بیرونی و درونی باعث چرخش تعادل پیچشی معلق شده و نوار فلزی نازک را می پیچد.

با اندازه‌گیری دقیق این حرکت و گشتاور گرانشی مرتبط، محققان می‌توانند مقداری را برای آن محاسبه کنند ز. گشتاور به سادگی یک نیروی چرخشی است، مشابه نیرویی که برای چرخاندن آچار استفاده می شود.

اما تیم ها تنها به یک روش متکی نبودند.

در یک سری دیگر از اندازه گیری ها، دانشمندان الکترودهایی را در کنار توده های داخلی قرار دادند و ولتاژ الکتریکی به آنها اعمال کردند.

نیروی الکترواستاتیک حاصل گشتاوری در جهت مخالف گشتاور گرانشی ایجاد می کند.

سپس محققان کشش را تا زمانی تنظیم می کنند که اثر الکترواستاتیک دقیقاً اثر گرانشی را متعادل کند و از واژگونی تعادل پیچشی جلوگیری کند.

از آنجایی که میزان کشش مورد نیاز برای دستیابی به این تعادل را می توان با دقت بسیار زیاد اندازه گیری کرد، روش دیگری برای محاسبه بزرگ ارائه می دهد ز.

مس و یاقوت کبود همین پاسخ را می دهند

تیم شلمینگر یک آزمایش اضافی را معرفی کرد.

آنها می خواستند بدانند که آیا مواد مورد استفاده برای جداول آزمایشی می تواند به نحوی بر نتیجه تأثیر بگذارد یا خیر.

محققان ابتدا اندازه گیری ها را با استفاده از جرم مس انجام دادند. سپس آزمایش را با یاقوت کبود تکرار کردند.

نتیجه اساساً با هر دو ماده یکسان بود.

این نتیجه یک توضیح احتمالی برای این اختلاف را حذف کرد، اما معمای بزرگتر را حل نکرد.

پس از یک دهه کار، آزمایش NIST به نقطه داده مهم دیگری در تلاش های مداوم دانشمندان برای تعیین ارزش واقعی بزرگ تبدیل شده است. ز.

شلمینگر گفت: “هر اندازه گیری مهم است زیرا حقیقت مهم است.” او افزود: “از نظر من، اندازه گیری دقیق راهی برای نظم بخشیدن به جهان است، خواه این عدد با مقدار مورد انتظار مطابقت داشته باشد یا نه.”

شلمینگر پس از وقف سال‌ها به این مشکل، می‌گوید که آماده است این چالش را به دیگران منتقل کند.

او افزود: «به نسل‌های جوان‌تر دانشمندان اجازه خواهم داد تا روی این مشکل کار کنند.

“ما باید ادامه دهیم.”

G بزرگ با G کوچک یکی نیست

بزرگ ز تنها حرف g مرتبط با جاذبه نیست.

فیزیکدانان نیز کمی از g استفاده می کنند، اما این دو کمیت چیزهای بسیار متفاوتی را توصیف می کنند.

g کوچک به شتابی اشاره دارد که یک جسم به دلیل کشش گرانشی یک جسم بزرگ نزدیک مانند زمین تجربه می کند.

بر خلاف بزرگ ز، بسته به جایی که هستید کمی g تغییر می کند.

در نزدیکی سطح زمین، g کوچک تقریباً 9.8 متر بر ثانیه مربع است. در ماه فقط 1.62 متر بر ثانیه مربع است زیرا ماه جرم بسیار کمتری دارد و بنابراین شتاب گرانشی کمتری تولید می کند.

بزرگ زدر مقابل، جهانی در نظر گرفته می شود.

تا آنجا که دانشمندان می دانند، ارزش آن در همه جای فضا یکسان است. نیروی گرانشی بین هر دو جرم را تعیین می کند، خواه آن اجرام دو میز آزمایشگاهی باشند، یک انسان و زمین، یا دو جسم نجومی که با فواصل بسیار زیاد از هم جدا شده اند.

قانون گرانش نیوتن از بزرگ استفاده می کند ز برای ارتباط جرم، فاصله و نیروی گرانشی.

برای دو میز، متر₁ و متر₂، دانشمندان جرم ها را با هم ضرب می کنند و حاصل را بر مجذور فاصله تقسیم می کنند r بین آنها و سپس ضرب در بزرگتر ز.

این رابطه به صورت ریاضی نوشته شده است:

جنرال موتورز₁متر₂/r²

بیش از دو قرن پس از شروع تلاش دانشمندان برای اندازه گیری دقیق آن، این ثابت به ظاهر ساده یکی از دشوارترین اعداد در فیزیک برای تعیین باقی مانده است.