Η βαρυτική σταθερά, που καθορίζει πόσο έλκονται μεταξύ τους όλα τα αντικείμενα με μάζα, παραμένει ακόμη η λιγότερο κατανοητή από όλες τις σταθερές της επιστήμης.
- Η βαρυτική σταθερά G, που όρισε ο Νεύτωνας και ενσωμάτωσε ο Αϊνστάιν, παραμένει δύσκολη στη μέτρησή της. Αποτελεί την πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, καθιστώντας τα πειράματα εξαιρετικά ευάλωτα σε εξωτερικές παρεμβολές.
- Η πρώτη σημαντική μέτρηση έγινε το 1798 από τον Henry Cavendish. Παρά την τεχνολογική πρόοδο, οι δεκάδες σύγχρονες πειραματικές μετρήσεις συνεχίζουν να παρουσιάζουν ανεξήγητες αποκλίσεις μεταξύ τους, προκαλώντας αμηχανία στους επιστήμονες.
- Για να αποφύγουν την ασυνείδητη επιρροή από προηγούμενα αποτελέσματα, ερευνητές του NIST διεξήγαγαν ένα «τυφλό» πείραμα. Πρόσθεσαν μυστικά μια άγνωστη μεταβολή στις μάζες, με την τιμή της να αποκαλύπτεται μόνο στο τέλος.
- Τα αποτελέσματα, που αποκαλύφθηκαν τον Ιούλιο του 2024, έδειξαν μια τιμή ελαφρώς μικρότερη από την επίσημη. Η διαφορά αυτή υποδηλώνει ότι η μάζα της Γης μπορεί να είναι μεγαλύτερη, αλλά το μυστήριο των αποκλίσεων παραμένει.
Τριακόσια σαράντα χρόνια μετά τη στιγμή που ο Ισαάκ Νιούτον έθεσε τα θεμέλια της σύγχρονης θεωρίας της βαρύτητας, οι επιστήμονες παραδέχονται ότι εξακολουθούν να μη γνωρίζουν με απόλυτη ακρίβεια μία από τις σημαντικότερες σταθερές του σύμπαντος. Πρόκειται για τη λεγόμενη «Μεγάλη G»: τη βαρυτική σταθερά που καθορίζει πόσο ισχυρά έλκονται μεταξύ τους όλα τα αντικείμενα με μάζα, από ένα μήλο που πέφτει από το δέντρο μέχρι τους γαλαξίες που κινούνται στο κοσμικό κενό.
Κι όμως, παρά τις τεράστιες τεχνολογικές εξελίξεις της σύγχρονης φυσικής, η συγκεκριμένη σταθερά παραμένει ακόμη η λιγότερο ακριβώς μετρημένη - και άρα κατανοητή - από όλες τις θεμελιώδεις σταθερές της επιστήμης.
«Είναι ένα από τα μεγάλα, άλυτα, αμήχανα σημεία της φυσικής», παραδέχεται ο φυσικός Στέφαν Σλάμινγκερ από το National Institute of Standards and Technology.
Όταν ο Νεύτωνας διατύπωσε τον νόμο της παγκόσμιας έλξης
Η ιστορία της βαρυτικής σταθεράς ξεκινά το 1686, όταν ο Νεύτωνας διατύπωσε τον περίφημο νόμο της παγκόσμιας έλξης. Σύμφωνα με αυτόν, κάθε σώμα στο σύμπαν έλκει κάθε άλλο σώμα με δύναμη ανάλογη της μάζας τους και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης που τα χωρίζει. Μέσα σε αυτή την εξίσωση, η σταθερά G λειτουργεί σαν ένας κοσμικός μετατροπέας που καθορίζει την ένταση της βαρύτητας παντού στο σύμπαν.
Αργότερα, όταν ο Albert Einstein παρουσίασε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας το 1915, η βαρυτική σταθερά επιβίωσε και ενσωματώθηκε στη νέα εικόνα του σύμπαντος, όπου η βαρύτητα δεν θεωρείται πλέον δύναμη αλλά παραμόρφωση του χωροχρόνου. Η G εξακολουθούσε όμως να καθορίζει πόσο εύκολα ο ίδιος ο χωροχρόνος «λυγίζει» από τη μάζα άστρων και πλανητών.
«Δεν μπορείς να απομονώσεις τη βαρύτητα»
Το παράδοξο είναι ότι ενώ η βαρύτητα αποτελεί τη δύναμη που οργανώνει ολόκληρο το σύμπαν, είναι ταυτόχρονα η πιο αδύναμη από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Και αυτό κάνει τη μέτρησή της εξαιρετικά δύσκολη. «Δεν μπορείς να απομονώσεις τη βαρύτητα όπως απομονώνεις ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία», εξηγεί ο Σλάμινγκερ.
«Τα πάντα έλκουν τα πάντα συνεχώς». Σε αντίθεση με άλλα πειράματα φυσικής, όπου οι επιστήμονες μπορούν να ενισχύσουν τεχνητά το σήμα που μετρούν, στη βαρύτητα είναι αναγκασμένοι να δουλεύουν με μια δύναμη εξαιρετικά αδύναμη και ευάλωτη σε αμέτρητες παρεμβολές. Ακόμη και μικροσκοπικές μεταβολές αέρα, θερμοκρασίας ή πίεσης μπορούν να αλλοιώσουν τα αποτελέσματα.
Η πρώτη μεγάλη προσπάθεια μέτρησης της G αποδίδεται στον Βρετανό φυσικό Henry Cavendish το 1798. Χρησιμοποιώντας μια περιστροφική ζυγαριά με μολύβδινες σφαίρες, κατάφερε να υπολογίσει τη βαρυτική έλξη μεταξύ μικρών και μεγάλων μαζών και ουσιαστικά να «ζυγίσει» για πρώτη φορά τη Γη. Από τότε, όμως, παρά την εξέλιξη της τεχνολογίας, των laser, των αισθητήρων και των υπολογιστικών μοντέλων, οι μετρήσεις της βαρυτικής σταθεράς συνεχίζουν να παρουσιάζουν αποκλίσεις μεταξύ τους. Σήμερα υπάρχουν τουλάχιστον 17 μεγάλες πειραματικές μετρήσεις της G και οι τιμές τους εξακολουθούν να διαφέρουν περισσότερο απ’ όσο θα έπρεπε θεωρητικά. «Κανείς δεν ξέρει γιατί», λέει ο Σλάμινγκερ.
Η απογοήτευση αυτή οδήγησε τον ίδιο και την ομάδα του σε ένα από τα πιο ασυνήθιστα πειράματα της σύγχρονης φυσικής. Στο εργαστήριο του NIST στο Μέριλαντ των United States, οι ερευνητές αποφάσισαν να επαναλάβουν ένα εξαιρετικά ακριβές πείραμα που είχε πραγματοποιηθεί παλαιότερα από το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στη Sèvres. Αυτή τη φορά όμως ήθελαν να αποφύγουν ένα παράξενο ψυχολογικό φαινόμενο που ονομάζεται «intellectual phase locking». Πρόκειται για την τάση των επιστημόνων να επηρεάζονται ασυνείδητα από προηγούμενα αποτελέσματα ή αναμενόμενες τιμές. Με απλά λόγια, όταν κάποιος ξέρει περίπου ποιο αποτέλεσμα «πρέπει» να βγει, υπάρχει κίνδυνος να σταματήσει το πείραμα μόλις τα δεδομένα αρχίσουν να συμφωνούν με τις προσδοκίες.
Για να αποφύγουν αυτή την παγίδα, η ομάδα επινόησε μια διαδικασία που θυμίζει ελαφρώς... ταινία επιστημονικής φαντασίας. Ένας ξεχωριστός τομέας του εργαστηρίου πρόσθεσε μυστικά μια άγνωστη μεταβολή στις μάζες που χρησιμοποιούνταν στο πείραμα. Η ακριβής τιμή της τροποποίησης γράφτηκε σε έναν σφραγισμένο φάκελο. Οι επιστήμονες πραγματοποίησαν τις μετρήσεις χωρίς να γνωρίζουν το πραγματικό τελικό αποτέλεσμα. Μόνο όταν ολοκλήρωσαν όλη την ανάλυση και έκριναν ότι τα δεδομένα ήταν συνεπή, άνοιξαν τον φάκελο. «Έμοιαζε περισσότερο με απονομή Όσκαρ παρά με πείραμα φυσικής», σχολιάζει στο άρθρο του το Space.com.
Ο φάκελος άνοιξε τελικά τον Ιούλιο του 2024 - δύο χρόνια αργότερα απ’ όσο είχε αρχικά προγραμματιστεί, επειδή οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ένας λεπτός παράγοντας σχετικός με την πίεση του αέρα είχε επηρεάσει τις αρχικές μετρήσεις τους. Το αποτέλεσμα έδειξε ότι η τιμή της G που υπολόγισαν ήταν κατά 0,000064 μικρότερη από την επίσημη τιμή που χρησιμοποιεί σήμερα η διεθνής επιστημονική κοινότητα. Η διαφορά μοιάζει απειροελάχιστη, όμως στις κοσμικές κλίμακες αποκτά τεράστια σημασία. Σύμφωνα με τον Σλάμινγκερ, αν αυτή η τιμή είναι σωστή, τότε η μάζα της Γης θα ήταν μεγαλύτερη κατά περίπου 360 τετράκις εκατομμύρια τόνους απ’ όσο πιστεύουμε σήμερα.
Παρά την ακρίβεια του πειράματος, ο ίδιος επιμένει ότι το μυστήριο δεν έχει λυθεί. «Η υποκείμενη διαφωνία ανάμεσα στα πειράματα παραμένει εκεί και περιμένει κάποιον να την εξηγήσει», λέει. Και αυτό είναι ίσως το πιο εντυπωσιακό στοιχείο της υπόθεσης: ότι η ανθρωπότητα μπορεί να στέλνει διαστημόπλοια έξω από το ηλιακό σύστημα, να ανιχνεύει βαρυτικά κύματα και να φωτογραφίζει μαύρες τρύπες, αλλά ακόμη να δυσκολεύεται να μετρήσει με απόλυτη ακρίβεια τη δύναμη που κρατά το ίδιο το σύμπαν ενωμένο.