NIST روی رمز و راز ثابت گرانشی سنگینی می کند

زمان باز کردن پاکت فرا رسیده بود، اما استفان شلمینگر، فیزیکدان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST)، مطمئن نبود که بخواهد شماره مخفی داخل آن را بداند.

در 10 سال گذشته، شلمینگر بیشتر ساعات کاری خود را صرف اندازه‌گیری یک کمیت می‌کرد که به ثابت گرانشی جهانی معروف است، که قدرت گرانش را در همه جای جهان تعیین می‌کند. شماره مخفی به Schlamminger اجازه می دهد تا داده های خود را از هم جدا کند و پاسخ خود را دریافت کند.

گرانش پاهای ما را روی زمین نگه می‌دارد، سیارات را در مدار اطراف خورشید نگه می‌دارد، ستارگان و دیگر مواد را برای ایجاد کهکشان‌ها جمع می‌کند، و خوشه‌های کهکشانی را شکل می‌دهد تا تار جهان را ببافند. اما قدرت آن، به عنوان “بزرگ جی،” دقیقاً مشخص نیست.

با وجود اهمیت آن، بزرگ است جی شلمینگر می دانست که اندازه گیری دقیق بسیار دشوار است. دانشمندان بیش از 225 سال است که در تلاش برای اندازه گیری ثابت بوده اند، یک قرن پس از آن که اسحاق نیوتن قانون معروف گرانش خود را منتشر کرد. اما ارزش آن در بین چهار نیروی اساسی موجود در طبیعت که شامل الکترومغناطیس و نیروهای قوی و ضعیف هسته ای نیز می شود، کمتر شناخته شده است.

این تا حدی به این دلیل است که گرانش ضعیف ترین نیرو در بین چهار نیرو است. حتی آهن‌ربایی بزرگ‌تر از سر یک پین می‌تواند یک گیره کاغذ را از روی زمین خارج کند و نیروی الکترومغناطیسی بسیار بیشتر از کشش کل میدان گرانشی زمین به سمت پایین وارد کند.

ضعف ذاتی جاذبه در آزمایشگاه بزرگ‌تر می‌شود، جایی که محققان می‌توانند اندازه‌های بزرگ را اندازه‌گیری کنند جی تنها با مطالعه جاذبه گرانشی بین توده های کوچک به اندازه کافی برای وزن کردن و حرکت دادن. این جرم ها حدود 500 میلیارد تریلیون بار کوچکتر از زمین هستند و بنابراین جاذبه گرانشی که دانشمندان باید اندازه گیری کنند بسیار ضعیف تر است.

اگرچه آزمایش‌ها حساس‌تر و پیچیده‌تر شده‌اند، بسیاری از اندازه‌گیری‌های اخیر بزرگ‌تر هستند جی مقادیر کمی متفاوت داشته اند. اگرچه تفاوت‌ها ناچیز هستند، تقریباً یک قسمت در 10000، اما هنوز آنقدر بزرگ هستند که نمی‌توان آن‌ها را با خطاهای آزمایشی معمول توضیح داد.

این نابرابری یک راز نگران کننده ایجاد کرده بود. آیا خطای تجربی نادیده گرفته شده ای وجود دارد که باعث عدم تطابق می شود – محتمل ترین توضیح – یا چیزی اساساً در درک ما از گرانش اشتباه است؟

این همان چیزی است که شلمینگر و همکارانش با زحمت به دنبال یافتن آن بودند تکرار یک آزمایش دقیق انجام شده توسط دفتر بین المللی اوزان و معیارها (BIPM) در Sèvres، فرانسه، در سال 2007. اگر Schlamminger می توانست به طور مستقل همان نتایج را تولید کند از آن مطالعه در پردیس NIST در Gaithersburg، مریلند، راز ممکن است حل شود.

شلمینگر نگران بود که ممکن است ناخودآگاه اندازه گیری خود را به گونه ای تغییر دهد که با مقدار آن مطابقت داشته باشد. جی که محققان در آزمایش فرانسوی دریافتند. شلمینگر برای ارضای استانداردهای دقیق خود، از همکار خود پاتریک ابوت خواست که داده ها را به هم بزند. ابوت این کار را با کم کردن عددی – که فقط او می‌دانست – از وزن برخی از توده‌ها در آزمایش NIST که به دقت اندازه‌گیری کرده بود، انجام داد. شلمینگر با به کارگیری این استراتژی، ارزش واقعی بزرگ را نمی داند جی که تیمش اندازه گیری کرده بود. یعنی تا زمانی که پاکت را باز نکرد و شماره محرمانه داخل آن را نخواند.

فاش شدن بزرگ

یک بار پیش از این، در سال 2022، شلمینگر آماده بود تا نقاب شماره پنهان را آشکار کند، اما در آخرین لحظه از آن رد شد و متوجه شد که یک عامل ظریف اما مهم مربوط به فشار هوا را نادیده گرفته است که می‌تواند نتایج را منحرف کند. اکنون، در ساعت 3 بعد از ظهر 11 جولای 2024، شلمینگر قرار بود یافته های خود را در کنفرانس سالانه اندازه گیری های الکترومغناطیسی دقیق در آرورا، کلرادو گزارش دهد.

شلمینگر که برای شرکت در جلسات صبحگاهی کنفرانس بسیار مضطرب بود، درباره همه عوامل احتمالی، از جمله تغییرات دما و فشار، که ممکن است اندازه‌گیری تیمش را مخدوش کند، نشخوار کرد. در حد توانش حساب هر کدام را کرده بود. او گفت: «من واقعاً تمام iها را نقطه‌گذاری کرده بودم و از تمام t‌های آزمایش عبور کردم.

شلمینگر در سخنرانی بعدازظهر خود سرانجام شماره ای را که ابوت در داخل پاکت گذاشته بود خواند و احساس آرامش کرد. برای به دست آوردن نتایجی که او انتظار داشت، عدد مخفی باید نسبتاً بزرگ و منفی باشد.

بود.

اما در طول روز، هیجان او کاهش یافت. بزرگی این عدد برای نتایج او برای مطابقت با نتایج آزمایش فرانسوی بسیار بزرگ بود.

شلمینگر و همکارانش پس از دو سال تجزیه و تحلیل گسترده نتیجه خود را در مترولوژی. ارزش اندازه گیری شده تیم از جی، 6.67387×10^-11 متر³/کیلوگرم/ثانیه²، 0.0235% کمتر از نتیجه فرانسوی است. با توجه به اینکه تمام ثابت های دیگر در طبیعت با شش رقم یا بیشتر قابل توجه شناخته می شوند، این یک تفاوت قابل توجه است.

این عدم تطابق به اندازه ای نیست که بتواند وزن شما را در ترازو حمام تغییر دهد یا مقدار کره بادام زمینی مورد نیاز برای ساخت یک محصول 16 اونسی را تغییر دهد. اما در طول تاریخ علم، ناهماهنگی‌های کوچک در اندازه‌گیری‌ها، گاهی شکاف‌هایی را در درک ما از کیهان آشکار کرده و به بینش‌های حیرت‌انگیز جدیدی در مورد عملکرد کیهان منجر شده است.

آزمایشی که ریشه در تاریخ دارد

اندازه‌گیری‌های BIPM و NIST بر تعادل پیچشی تکیه داشتند، دستگاهی که با اندازه‌گیری زاویه پیچش یا پیچش یک فیبر معلق نازک، نیروهای کوچک را حس می‌کند. این روش به آزمایش مهمی 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 در مرکز آن توسط یک سیم نازک به صورت افقی آویزان شده بود. در همان نزدیکی، او دو توده بسیار سنگین‌تر را که جداگانه آویزان شده بودند، قرار داد. جاذبه گرانشی بین توده‌های کوچک‌تر و سنگین‌تر باعث می‌شود تیر چوبی بچرخد و سیم را بچرخاند تا زمانی که گشتاوری که اعمال می‌کرد نیروی گرانش را متعادل کند. حرکت تیر چوبی که با یک آینه و نشانگر نور اندازه گیری می شود، ارزش بزرگ را نشان می دهد جی.

آزمایش‌های پیچیده‌تر BIPM و NIST دارای هشت جرم فلزی استوانه‌ای بودند. چهار تا از استوانه ها روی چرخ فلک چرخان قرار داشتند که شبیه چهار شمعدان در یک لوستر قدیمی بود. چهار توده ی کوچکتر دیگر در داخل چرخ فلک، روی دیسکی قرار گرفتند که توسط نواری از مس-بریلیوم به ضخامت یک موی انسان آویزان شده بود.

هنگامی که توده های بیرونی توده های داخلی را جذب می کنند، تعادل پیچشی می چرخد ​​و نوار فلزی می پیچد. ردیابی دقیق چرخش و گشتاور گرانشی یا پیچش، یک معیار از جی. اما هر دو تیم یک قدم فراتر رفتند.

در مجموعه دوم اندازه‌گیری، محققان ولتاژی را به الکترودهایی که در کنار هر یک از توده‌های داخلی قرار گرفته‌اند اعمال کردند. ولتاژها یک گشتاور الکترواستاتیکی ایجاد کردند که سیم را در جهتی مخالف گشتاور ناشی از گرانش می پیچاند. محققان با انتخاب دقیق ولتاژی که دقیقاً گشتاور گرانشی را متعادل می کند، از چرخش تعادل پیچشی جلوگیری کردند. بزرگی ولتاژ تخمین بزرگ دیگری را ارائه کرد جی.

تیم Schlamminger یک نوع دیگر را به مطالعه اضافه کرد. در تلاش برای تعیین اینکه آیا ترکیب توده ها به نوعی بر اندازه گیری آنها تأثیر می گذارد یا خیر، محققان آزمایش خود را ابتدا با جرم مس انجام دادند، سپس مطالعه را با یاقوت کبود تکرار کردند. تیم تقریباً نتایج یکسانی پیدا کرد.

اگرچه مطالعه NIST، یک تعهد ده ساله، مشکل را با بزرگی حل نمی کند جی، اکنون به مجموعه شواهد علمی اضافه شده است. شلمینگر گفت: “هر اندازه گیری مهم است، زیرا حقیقت مهم است.” او افزود: برای من، اندازه‌گیری دقیق راهی برای نظم بخشیدن به جهان است، خواه این عدد با مقدار مورد انتظار مطابقت داشته باشد یا نباشد.

شلمینگر پس از سال‌ها کار می‌گوید که زمان کافی را برای تعقیب بزرگ‌ها اختصاص داده است جی. او افزود: «من کار روی این مشکل را به نسل‌های جوان‌تر دانشمندان واگذار می‌کنم.

“ما باید فشار بیاوریم.”

---

مقاله: S. Schlamminger، L. Chao، V. Lee، C. Shakarji، A. Possolo، D. Newell، J. Stirling، R. Cochran و C. Speake. تعیین مجدد ثابت گرانشی با تعادل پیچشی BIPM در NIST. مترولوژی. منتشر شده آنلاین در 16 آوریل 2026. DOI: 10.1088/1681-7575/ae570f