Fiziğin En Zorlu Sayısı Daha da Gizemli Hale Geldi
Fiziğin en temel sabitlerinden birini ölçmek için on yıldır süren bir çaba, belirsizlik ve aydınlanma anıyla sonuçlandı.
Zarfı açma anı gelmişti, ancak Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nde (NIST) fizikçi olan Stephan Schlamminger tereddüt etti. İçinde, on yıllık deneyinin nihai sonucunu ortaya çıkaracak gizli bir sayı vardı.
Schlamminger, 10 yıldır evrenin her yerinde yerçekiminin gücünü tanımlayan nicelik olan evrensel yerçekimi sabitini ölçmeye odaklanmıştı. Gizli sayı, verilerini çözmesine ve sonucunu belirlemesine olanak sağlayacaktı.
Yerçekimi, ayaklarımızı yerde tutmaktan gezegenleri yörüngede tutmaya ve galaksileri ve kozmik yapıları şekillendirmeye kadar her şeyi yönetir. Ancak “büyük G” olarak bilinen gücü belirsizliğini koruyor.
Önemine rağmen, büyük G’yi doğru bir şekilde ölçmek son derece zordur. Bilim insanları, Isaac Newton’un yerçekimi yasasını ortaya koymasından yaklaşık bir yüzyıl sonra başlayarak, 225 yıldan fazla bir süredir değerini belirlemek için çalışıyorlar. Bugün bile, elektromanyetizma ve güçlü ve zayıf nükleer kuvvetleri de içeren dört temel kuvvet arasında en az kesin olarak bilinenidir.
Bir zorluk, yerçekiminin diğer kuvvetlerden çok daha zayıf olmasıdır. İğne başı büyüklüğünde bir mıknatıs, bir ataşı kaldırabilir ve bu da Dünya’nın o nesne üzerindeki tüm yerçekimi çekiminden daha güçlü bir kuvvet üretir.
Bu zayıflık, laboratuvar deneylerinde daha da sorunlu hale gelir. Araştırmacılar, tartılabilen ve hareket ettirilebilen nispeten küçük nesneler arasındaki çekimi ölçmelidir. Bu kütleler Dünya’dan yaklaşık 500 milyar trilyon kat daha küçüktür, bu nedenle ilgili kuvvetler son derece zayıftır.
Modern deneyler son derece hassas olsa da, büyük G’nin son ölçümleri tam olarak örtüşmüyor. Farklar küçük, yaklaşık 10.000’de bir oranında, ancak yine de normal deneysel belirsizlikle açıklanamayacak kadar büyük.
Bu tutarsızlık, rahatsız edici bir soruyu gündeme getirdi: Görünmeyen deneysel hatalar mı sorumlu, yoksa yerçekiminin nasıl anlaşıldığıyla ilgili daha derin bir sorun mu var?
Bunu araştırmak için Schlamminger ve ekibi, 2007 yılında Fransa’nın Sèvres kentinde Uluslararası Ağırlık ve Ölçü Bürosu (BIPM) tarafından yapılan hassas bir deneyi tekrarlamaya koyuldu. Eğer aynı sonucu Maryland, Gaithersburg’daki NIST’te de elde edebilirlerse, bu tutarsızlığın çözülmesine yardımcı olabilir.
Önyargıyı önlemek için Schlamminger alışılmadık bir adım attı. Meslektaşı Patrick Abbott’tan, ölçülen kütlelerin bazılarından gizli bir sayıyı çıkararak verileri değiştirmesini istedi. Bu değeri sadece Abbott biliyordu. Bu yaklaşım, Schlamminger’in zarfı açana kadar gerçek sonucu bilmemesini sağladı.
Büyük Açıklama
Schlamminger, 2022’de bir kez daha sayıyı neredeyse açıklamıştı, ancak hava basıncıyla ilgili önemli bir düzeltmeyi kaçırdığını fark edince durmuştu.
11 Temmuz 2024’te, saat 15:00’te, Aurora, Colorado’daki Hassas Elektromanyetik Ölçümler Konferansı’nda bulgularını sunması planlanmıştı. Sabah oturumlarına odaklanamayacak kadar endişeli olan Schlamminger, sıcaklık ve basınç da dahil olmak üzere sonuçları etkileyebilecek her olası faktörü gözden geçirdi. “Deneyin her ayrıntısını gerçekten incelemiştim,” dedi.
Sunumu sırasında nihayet zarfı açtı. Anında rahatlama hissetti. Beklentisi gerçekleşebilsin diye, gizli sayının oldukça büyük ve negatif olması gerekiyordu.
Öyleydi.
Ancak gün ilerledikçe özgüveni azaldı. Sayı beklenenden daha büyüktü, yani sonuçları daha önceki Fransız deneyinin sonuçlarıyla uyuşmuyordu.
İki yıl daha süren detaylı analizden sonra Schlamminger ve işbirlikçileri bulgularını Metrologia’da yayınladılar. Ölç
tükleri G değeri, 6.67387×10-11 metre3/kilogram/saniye2, BIPM sonucundan %0.0235 daha düşüktür. Genellikle altı veya daha fazla anlamlı basamağa kadar bilinen fizikteki diğer sabitlerle karşılaştırıldığında, bu fark dikkat çekicidir.
Bu fark, vücut ağırlığı veya gıda ambalajı gibi günlük ölçümleri etkilemeyecek kadar küçüktür. Bununla birlikte, bilimdeki küçük tutarsızlıklar bazen evrenin nasıl çalıştığına dair büyük keşiflere yol açmıştır.
Tarihe Dayalı Bir Deney
Hem BIPM hem de NIST deneyleri, ince bir lifin bükülmesini ölçerek küçük kuvvetleri algılayan bir alet olan burulma terazisine dayanıyordu. Bu teknik, İngiliz fizikçi Henry Cavendish’in G değerini tahmin etmek için ilk kez kullandığı 1798 yılına kadar uzanmaktadır.
Cavendish, ince bir tel kullanarak her iki ucunda küçük kurşun küreler bulunan ahşap bir kirişi astı. Yakınına daha büyük kütleler yerleştirdi. Yerçekimi çekimi kirişin dönmesine ve telin bükülmesine neden oldu; bu bükülme, geri döndürücü kuvvet yerçekimi çekimini dengeleyene kadar devam etti. Bu hareketi bir ayna ve ışıkla izleyerek, sabiti hesaplayabildi.
Deneyin modern versiyonları çok daha gelişmiştir. BIPM ve NIST düzeneklerinde sekiz silindirik metal kütle kullanıldı. Dört büyük kütle dönen bir yapı üzerine yerleştirilirken, dört küçük kütle içeride, insan saçı kalınlığında ince bir bakır-berilyum şeridine bağlı bir diske asıldı.
Dış kütleler iç kütleleri çektiği için sistem döndü ve şeridi büktü. Bu hareketi ölçmek, G’yi hesaplamanın bir yolunu sağladı.
Araştırmacılar ayrıca ikinci bir yöntem de kullandılar. İç kütlelerin yakınındaki elektrotlara voltaj uygulayarak, yerçekimi çekimine karşı koyan bir elektrostatik kuvvet oluşturdular. Sistem dönmeyi durdurana kadar voltajı ayarlayarak, elektriksel dengeden G’yi belirleyebildiler.
Schlamminger’in ekibi başka bir test daha ekledi. Bakır ve safir kütleleri kullanarak deneyi tekrarladılar ve malzeme bileşiminin sonuçları etkileyip etkilemediğini görmek istediler. Ölçümler neredeyse aynıydı.
On yıl süren bu çalışma, büyük G değerlerindeki farkı çözemese de, devam eden çalışmalara önemli veriler ekliyor. Schlamminger, “Her ölçüm önemlidir, çünkü gerçek önemlidir,” dedi. “Benim için, sayının beklenen değerle örtüşüp örtüşmemesinden bağımsız olarak, doğru bir ölçüm yapmak evrene düzen getirmenin bir yoludur,” diye ekledi.
Yıllarca süren çalışmanın ardından Schlamminger, yoluna devam etmeye karar verdi. “Bu sorunu genç bilim insanı nesillerine bırakacağım,” dedi. “Devam etmeliyiz.”
Büyük G, Küçük g
Newton’un yerçekimi yasasında büyük G tek g değildir. Bir de küçük g vardır ve ikisi arasında büyük bir fark bulunur.
Küçük g, bir cismin Dünya gibi büyük bir kütlenin yerçekimi çekimi nedeniyle maruz kaldığı ivmeyi tanımlar ve konumdan konuma değişir. Örneğin, küçük g’nin değeri Dünya yüzeyinde yaklaşık 9,8 m/s² iken, Ay’da sadece 1,62 m/s²’dir çünkü Ay’ın kütlesi daha düşüktür ve bu nedenle Dünya’ya göre daha zayıf bir yerçekimi çekimi uygular.
Bunun aksine, büyük G evrenseldir: Bilim insanlarının bildiği kadarıyla, değeri evrenin her yerinde aynıdır. İster bir insan ve bir gezegen, ister bir laboratuvardaki iki ağırlık olsun, herhangi iki nesne arasındaki yerçekimi kuvvetini size söyleyebilir. İki kütle, m1 ve m2, arasındaki yerçekimi kuvvetini hesaplamak için, iki kütlenin çarpımını aralarındaki mesafenin karesine (r²) bölmek ve ardından bu değeri yerçekimi sabiti, büyük G ile çarpmak gerekir. Bir denklem olarak yazıldığında, Newton yasası kuvvetin Gm1m2/r²’ye eşit olduğunu belirtir.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Bilim İnsanları Bulunması Zor Olan Yerçekimi Sabitini Ölçmek İçin Bir Yol Geliştirdi