لقد قام الفيزيائيون بقياس الجاذبية بشكل أكثر دقة من أي وقت مضى

منذ عدة قرون، يحاول الفيزيائيون قياس قوة الجاذبية – ثابت الجاذبية G. ولم تتزامن القيم التي تم الحصول عليها مع بعضها البعض أبدًا، مما يشير إلى أننا إما نجري تجارب بشكل غير صحيح، أو أننا لا نفهم الجاذبية نفسها بشكل كامل.

نتائج التجربة الجديدة نشرت في علم القياس، ولم يتحسن الوضع كثيراً. ولكن تم تنفيذها بدقة وعناية بحيث تعطي الأمل في إجماع المجتمع العلمي حول هذه القضية.

الجاذبية أضعف بكثير من التفاعلات الأساسية الأخرى، وهو ما يجعل قياسها صعبًا للغاية. يوضح الفيزيائي ستيفان شلامينغر من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، الذي قاد الدراسة: “عندما كنا أطفالًا، كنا جميعًا مفتونين بالمغناطيس، وكيف يجذب بعضنا البعض. والأمر نفسه بالنسبة للجاذبية: إذا أمسكت بفنجانين من القهوة، واحدًا في كل يد، ستكون هناك قوة جذب بينهما، لكنها صغيرة جدًا لدرجة أننا لا نشعر بها، لذلك لا توجد إثارة”.

السبب الثاني: على عكس القوى الأخرى، لا يمكن حماية التجربة من الجاذبية. في عام 1798، تحايل الفيزيائي هنري كافنديش على هذه المشكلة بجهاز يسمى ميزان الالتواء. وبفضل هذا، قام بقياس الجاذبية لأول مرة، وإن كان ذلك بدقة منخفضة.

كيف تم قياسه؟

مقاييس الالتواء بسيطة جدًا بشكل عام. تخيل عود أسنان معلقًا أفقيًا بخيط من المنتصف. في كل طرف هناك كرة صغيرة. إذا قمت بإحضار جسم ما إلى الميزان، فإن جاذبيته ستجذب الكرة، مما يتسبب في دوران عود الأسنان قليلاً. من خلال قياس زاوية الدوران، يمكنك حساب قوة الجاذبية بين الكرة وجسم خارجي دون القلق بشأن الجاذبية – حيث يتم تعويضها بخيط التعليق.

وكانت التجربة التي أجراها شلامينجر وزملاؤه نسخة أكثر تقدمًا من هذا الإعداد. واستخدم ثمانية أوزان موضوعة على قرصين دوارين تمت معايرتهما بدقة، وتم تعليق النظام بأكمله من أحزمة يبلغ سمكها سمك شعرة الإنسان تقريبًا. وكان هذا تكراراً مضنياً لتجربة أجريت لأول مرة في فرنسا في عام 2007. فقد أنفق الباحثون عقداً من الزمان في محاولة قياس كل مصدر يمكن تصوره من مصادر عدم اليقين، والقضاء عليه إن أمكن.

يقول البروفيسور ينس جوندلاش من جامعة واشنطن: “هذه هي الفيزياء التجريبية في أفضل حالاتها”.

“إن العناية التي تعاملوا بها مع هذا الأمر والتأثيرات العديدة المختلفة التي نظروا إليها، فإن تجربتهم تضع معيارًا عاليًا جديدًا لهذا النوع من البحث”، كما يوافق الفيزيائي كيسي واجنر من جامعة ولاية كارولينا الشمالية.

وفقًا لنتائج هذه التجربة، G = 6.67387·10⁻¹¹ م³·كجم⁻¹·s⁻².

وهذا أقل بجزء من المئة من قياس عام 2007، ولكنه يكفي لجعل هذه النتيجة أقرب إلى التجارب الأخرى التي أجريت على مدى السنوات الماضية.

يقول: “قياس G لا يقتصر على قياس الجاذبية فحسب. إنه تقييم لمدى قدرتنا على قياسها على الإطلاق. وهو يقف فوق عصور الفيزياء. يمكننا مقارنة تجربتنا بتجربة كافنديش قبل 230 عامًا، وبعد 230 عامًا سيتمكن العلماء من مقارنة نتائجهم بنتائجنا. في النهاية، يبدو لي أن كل شيء سينتهي عندما يتمكن الباحثون من قياس هذه القيمة بشكل أكثر دقة من أي شخص آخر – أي مع أصغر التناقضات بين النتائج المختلفة”. شلامينجر.

ما هو التالي

ومن خلال تحديد العديد من مصادر عدم اليقين التي لم تكن معروفة سابقًا، تمكن مجربو NIST من تحسين موثوقية القياسات، وقال جوندلاش: “تبدو الصورة العامة الآن أفضل، وأكثر جدارة بالثقة وموثوقية”.

بالإضافة إلى ذلك، تم وضع الأساس للتجارب المستقبلية التي ستجعل من الممكن قياس G بدقة أكبر. وهذا مهم لعلم الكونيات، الذي يعتمد بشكل كبير على فهم الجاذبية. “جميع أنواع الشذوذات هنا يمكن أن تؤثر على كل شيء – من نطاق المختبر إلى نطاق الكون. ما يبدو وكأنه تناقض صغير وغير مهم في المختبر، عند نقله إلى النطاق الكوني، يتضخم عدة مرات ويمكن أن يكون له عواقب وخيمة للغاية”، يحذر واجنر.

أدى المتوسط ​​البايزي للآلاف والآلاف من القياسات التي تم إجراؤها في NIST إلى أربع نتائج معممة – وهي لا تتطابق مع قيمة G المقبولة في المجتمع العلمي، ولكن أيضًا مع بعضها البعض. على الأرجح، لم يتم أخذ شيء ما في الاعتبار في مكان ما – على الرغم من أن السبب قد يكون أكثر عالمية، فإن شلامينجر يعترف: ربما تكون هذه متطلبات أساسية لإنشاء فيزياء جديدة. وخلص إلى القول: “هناك عيوب في فهمنا للعلوم وتحتاج إلى استكشاف. ربما لا يوجد شيء هناك، ولكن سيكون من الغباء عدم التحقق منها”.