Ολοκληρώθηκε το 10ετές πείραμα που εξηγεί γιατί είναι τόσο δύσκολη η μέτρηση της Σταθεράς της Βαρύτητας (G)

Σύνοψη

• Ολοκλήρωση 10ετούς πειράματος στο εργαστήριο NIST (ΗΠΑ) για την ακριβή μέτρηση της παγκόσμιας σταθεράς της βαρύτητας (Big G).
• Η νέα τιμή υπολογίστηκε στα 6.67387 ± 0.00038 × 10⁻¹¹ m3 kg−1 s−2, με αναλογία τυπικής αβεβαιότητας 5.7 × 10⁻⁵.
• Το πείραμα χρησιμοποίησε το αυθεντικό hardware του ζυγού στρέψης του BIPM, καταγράφοντας απόκλιση 0.0235% σε σχέση με τη μέτρηση του 2014.
• Βασικό εύρημα αποτελεί η επιβεβαίωση ότι η ελάχιστη πίεση κενού εντός της διάταξης ασκεί μηχανικές δυνάμεις που αλλοιώνουν τα ιστορικά αποτελέσματα.
• Οι δοκιμές επιβεβαιώθηκαν τόσο με κυλίνδρους μάζας από χαλκό όσο και από ζαφείρι, χωρίς να προκύπτει διαφοροποίηση λόγω υλικού.

Η σταθερά της βαρύτητας αποτελεί έναν από τους αυστηρότερους και πλέον θεμελιώδεις πυλώνες της φυσικής. Καθορίζει την ένταση της βαρυτικής έλξης μεταξύ δύο οποιωνδήποτε μαζών στο Σύμπαν. Παρά το γεγονός ότι οι επιστήμονες προσπαθούν να μετρήσουν με απόλυτη ακρίβεια αυτή τη σταθερά για περισσότερα από 225 χρόνια, η ακριβής της τιμή εξακολουθεί να διαφεύγει. Τα δεδομένα από διάφορα πειράματα παγκοσμίως παρουσιάζουν μικρές, αλλά στατιστικά σημαντικές, αποκλίσεις. Η ομάδα ερευνητών του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST) ανακοίνωσε τα αποτελέσματα ενός εξαιρετικά απαιτητικού πειράματος που διήρκεσε ακριβώς δέκα χρόνια, στοχεύοντας στην επίλυση αυτού του τεχνικού μυστηρίου.

Η έρευνα αποτελεί μια ολοκληρωμένη προσπάθεια αναπαραγωγής και βελτίωσης ενός πειράματος που αρχικά διεξήχθη από το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών (BIPM) το 2014. Εκείνο το πείραμα είχε αποδώσει μία από τις πιο αποκλίνουσες τιμές του G στα χρονικά, απαιτώντας αυστηρή επαλήθευση.

Τι είναι η σταθερά της βαρύτητας (G) και ποια είναι η νέα μέτρηση του NIST;

Η σταθερά της βαρύτητας (G) καθορίζει τη δύναμη έλξης μεταξύ δύο μαζών. Σύμφωνα με το 10ετές πείραμα του NIST, η νέα τιμή της σταθεράς υπολογίστηκε στα 6.67387 ± 0.00038 × 10⁻¹¹ m3 kg−1 s−2. Αυτή η μέτρηση, πραγματοποιημένη με το ζυγό στρέψης του BIPM, αναδεικνύει την επιρροή της υπολειπόμενης πίεσης αέρα στις αποκλίσεις των ιστορικών δεδομένων.

Συγκρίνοντας το G με άλλες θεμελιώδεις σταθερές, όπως η ταχύτητα του φωτός ή η σταθερά του Planck, είναι σαφές ότι η βαρύτητα είναι ασύγκριτα πιο αδύναμη δύναμη. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι η μέτρηση της στο εργαστήριο απαιτεί μάζες τεράστιας πυκνότητας και εξοπλισμό μηχανικής ευαισθησίας, όπου οποιαδήποτε εξωτερική παρεμβολή —από ηλεκτρομαγνητικά πεδία μέχρι την παραμικρή σεισμική δόνηση— μπορεί να αλλοιώσει το τελικό αποτέλεσμα.

Το 2014, το BIPM δημοσίευσε μια τιμή για το G η οποία προκάλεσε έντονο προβληματισμό, καθώς ήταν αισθητά υψηλότερη από τον μέσο όρο των προηγούμενων διεθνών μετρήσεων. Προκειμένου να εντοπιστούν πιθανά συστηματικά σφάλματα, το NIST αποφάσισε να μεταφέρει ολόκληρο τον εξοπλισμό του BIPM, με επίκεντρο έναν εξειδικευμένο ζυγό στρέψης, στις δικές του εγκαταστάσεις στο Gaithersburg του Maryland. Η συλλογή δεδομένων ξεκίνησε το 2016. Η νέα μέτρηση έδωσε τελικά αποτέλεσμα που είναι κατά 0.0235% χαμηλότερο από την αμφιλεγόμενη τιμή του 2014, ενώ η σχετική τυπική αβεβαιότητα διαμορφώθηκε στο 5.7 × 10⁻⁵.

Η διάταξη του πειράματος: Ζυγός στρέψης και ηλεκτροστατικό πεδίο

Το τεχνολογικό υπόβαθρο του πειράματος βασίστηκε στην εξέλιξη της παραδοσιακής διάταξης του Cavendish. Ο μηχανισμός αποτελείται από οκτώ κυλινδρικές μεταλλικές μάζες. Η κίνηση του συστήματος, καθώς οι εξωτερικές μάζες έλκουν τις εσωτερικές προκαλώντας τη συστροφή μιας ειδικής ανάρτησης, καταγράφεται οπτικά με τη βοήθεια ενός καθρέφτη και μιας δέσμης λέιζερ.

Πέρα από την παραδοσιακή μηχανική μέτρηση, η ερευνητική ομάδα εφάρμοσε μια δεύτερη, απόλυτα ανεξάρτητη μέθοδο ηλεκτροστατικής αντιστάθμισης. Διοχετεύοντας ακριβείς τάσεις σε ηλεκτρόδια κοντά στις εσωτερικές μάζες, δημιούργησαν μια ηλεκτροστατική δύναμη ακριβώς ίση και αντίθετη με τη βαρυτική έλξη. Ρυθμίζοντας την τάση μέχρι το σύστημα να παραμείνει απολύτως ακίνητο (μηδενική μετατόπιση), υπολόγισαν το G διαβάζοντας αποκλειστικά τις παραμέτρους της ηλεκτρικής ισορροπίας.

Προκειμένου να αποκλειστεί η πιθανότητα το υλικό των κυλίνδρων να αλληλεπιδρά με άγνωστους φυσικούς τρόπους, η διαδικασία επαναλήφθηκε χρησιμοποιώντας αρχικά μάζες από καθαρό χαλκό και στη συνέχεια από ζαφείρι. Τα εξαγόμενα δεδομένα αποδείχθηκαν σχεδόν πανομοιότυπα, γεγονός που αποκλείει τη σύνθεση του υλικού ως μεταβλητή συστηματικού σφάλματος.

Η ανακάλυψη του κρυμμένου παράγοντα: Πίεση κενού

Το σημαντικότερο εύρημα της δεκαετούς αυτής μελέτης δεν είναι απλώς η διόρθωση της τιμής του G, αλλά η αναγνώριση ενός περιβαλλοντικού σφάλματος που προσφέρει εξηγήσεις για τις συνεχείς διακυμάνσεις μεταξύ των κορυφαίων εργαστηρίων παγκοσμίως. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι, παρά τη χρήση προηγμένων βιομηχανικών αντλιών υπερυψηλού κενού (Ultra-High Vacuum - UHV), ο θάλαμος ποτέ δεν απαλλάσσεται στο 100% από τα μόρια του αέρα.

Αυτή η εναπομείνασα ποσότητα, γνωστή ως πίεση κενού, ασκεί μικροσκοπικές αλλά μετρήσιμες μηχανικές δυνάμεις πάνω στα ευαίσθητα εξαρτήματα του ζυγού στρέψης. Οι ερευνητές ανέλυσαν ότι αυτά τα μόρια αερίου, μέσω θερμικών ρευμάτων και δυναμικής αλληλεπίδρασης με τις μάζες, διαταράσσουν την ισορροπία της διάταξης. Αυτές ακριβώς οι δυνάμεις δεν είχαν περιγραφεί ή συνυπολογιστεί επαρκώς στα στατιστικά μοντέλα προηγούμενων προσπαθειών. Η συγκεκριμένη παρατήρηση επιβάλλει άμεσα την αναθεώρηση των πρωτοκόλλων κατασκευής θαλάμων κενού για τα πειράματα ακριβείας.

Με τη ματιά του Techgear

Η ρύθμιση μικροσκοπικών ηλεκτροστατικών τάσεων για την ακύρωση μιας βαρυτικής δύναμης, η οποία είναι ούτως ή άλλως ασθενής, συνιστά τεχνολογικό επίτευγμα υψηλότατου επιπέδου. Η απόκλιση του 0.0235% μεταξύ της μέτρησης του 2014 και της σημερινής ενδέχεται να φαίνεται ανάξια λόγου στην καθημερινότητα. Στα μαθηματικά της αστροφυσικής, ωστόσο, συνιστά ένα τεράστιο κενό. Η μετατόπιση του ερευνητικού ενδιαφέροντος από τη στείρα αναζήτηση του "σωστού νούμερου" στην κατανόηση του φυσικού παράγοντα που δημιουργεί το σφάλμα, αποτελεί την επιτομή της ορθής μετρολογικής προσέγγισης.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!