On yılı süren bir NIST deneyi, evrensel yerçekimi sabitinin yeni bir ölçümünü üretti ve bu ölçüm başka önde gelen bir sonuçtan beklenmedik şekilde farklı çıktı; bu durum 225 yıllık bir fizik gizemini derinleştirdi. Uyuşmazlık küçük ama doğanın en temel sabitlerinden biri için bilim insanlarının gizli deneysel hatalar mı yoksa daha şaşırtıcı bir durum mu söz konusu diye düşünmeye yetecek kadar büyük.
On yıl boyunca fizikçi Stephan Schlamminger, bilimdeki en inatçı sayılardan birinin peşindeydi. Şimdi, on yıllık deney, düzeltme ve titiz analizden sonra cevap mühürlü bir zarfın içindeydi.
O, zarfı açmaya tamamen hazır değildi.
Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nde (NIST) fizikçi olan Schlamminger, geçen on yılın büyük bölümünü evrensel yerçekimi sabitini ölçmeye çalışarak geçirmişti. Fizikçilerin büyük G olarak adlandırdığı bu temel sayı, evren boyunca yerçekimi çekiminin gücünü belirliyor.
Zarfın içinde saklı olan sayı, deneysel verilerini nihayet çözmek ve ekibinin ne ölçtüğünü ortaya çıkarmak için gereken anahtardı.
Yerçekiminin En Kaçamak Sayısı
Yerçekimi günlük yaşamda en tanıdık kuvvetlerden biridir. İnsanları Dünya'ya bağlar, gezegenleri Güneş'in çevresinde yönlendirir, yıldızları galaksilere toplar ve evren çapında galaksi kümelerinden oluşan devasa kozmik ağın şekillenmesinde merkezi bir rol oynar.
Yine de bilim insanları, doğanın diğer temel kuvvetleri için elde ettikleri kesinliğe ulaşacak şekilde temel gücünü hâlâ bilmiyor.
Bu güç büyük G ile temsil ediliyor.
İngiliz fizikçi Isaac Newton evrensel yerçekimi yasasını ortaya koyduktan yaklaşık bir yüzyıl sonra başlayan süreçte bilim insanları 225 yıldan uzun süredir büyük G'yi ölçmeye çalışıyor. Nesiller boyu giderek daha sofistike deneylere rağmen yerçekimi sabiti, elektromanyetizma ile güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler gibi doğanın diğer üç temel kuvvetiyle ilişkili sabitler kadar kesin olarak bilinmiyor.
sorunun bir kısmı şaşırtıcı derecede basit. Yerçekimi son derece zayıf.
Bir iğne başı büyüklüğünde bir mıknatıs sorunu gösterebilir. İğne başı büyüklüğündeki bir mıknatıs, tüm Dünya'nın yerçekimi çekimine karşı bir ataş kaldırabilir. Bu basit yarışta mıknatısın ürettiği elektromanyetik kuvvet yerçekimini kolayca aşar.
Zorluk laboratuvarda daha da artıyor. Bilim insanları kontrollü deneyler yapmak için gezegenleri hareket ettiremez, bu yüzden tartılabilen ve hassas şekilde konumlandırılabilen çok daha küçük nesneler arasındaki yerçekimi çekimini ölçmek zorunda kalıyor.
Bu deneysel kütleler Dünya'dan yaklaşık 500 milyar trilyon kat daha küçük. Sonuç olarak araştırmacıların tespit etmeye çalıştığı yerçekimi kuvvetleri inanılmaz derecede zayıf.
Uyuşmayan Ölçümler
Modern aletler son derece hassas hale geldi ama büyük G ölçümleri hâlâ biraz farklı sonuçlar veriyor.
Uyuşmazlıklar küçük, yaklaşık 10 binde bir. Yine de araştırmacıların sıradan deneysel belirsizlikten bekleyeceği düzeyden daha büyük.
Bu kalıcı uyuşmazlık fizikçiler için rahatsız edici bir soru yarattı.
En olası açıklama, ince bir deneysel etkinin gözden kaçmış olması. Ama çok daha ilgi çekici bir olasılık da var: Belki bilim insanları yerçekimi hakkında bir şeyi kaçırıyor.
Schlamminger ve meslektaşları sorunu netleştirmek için Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu'nun (BIPM) 2007'de Fransa'nın Sèvres kentinde gerçekleştirdiği hassas bir deneyi dikkatle tekrarlamaya karar verdi.
Fikir basitti. NIST'in Maryland eyaleti Gaithersburg kampüsündeki bağımsız bir ekibin Fransız ölçümünü esasen aynı yaklaşımla yeniden üretmesi, büyük G çevresindeki anlaşmazlığı çözmeye yardımcı olabilirdi.
Ama Schlamminger başka bir hata kaynağından endişeliydi: kendisinden.
Bilim insanları, bekledikleri sonuca göre ölçümleri nasıl yorumlayacaklarını veya analiz edeceklerini istemeden etkileyebilir. Schlamminger bu olasılığı mümkün olduğunca ortadan kaldırmak istedi.
Böylece meslektaşı Patrick Abbott'tan deneyi körlemesine yapmasını, verinin bir kısmını karıştırarak gizlemesini istedi.
Abbott, deneyde kullanılan kütlelerin dikkatle ölçülen ağırlıklarından gizli bir sayıyı çıkardı. Bu sayıyı yalnızca Abbott bildiği için Schlamminger, ekibinin ürettiği büyük G'nin gerçek değerini bilmeden deneyi analiz edebildi.
Gerçek cevabı geri kazanmak için gereken düzeltme bir zarfa mühürlendi.
On Yıllık Çalışma Tek Bir Zarfa İndi
Schlamminger 2022'de zarfı neredeyse açtı.
Son anda, ekibin hava basıncıyla ilgili ince bir etkiyi tam olarak hesaba katmadığını fark etti. Çünkü bu kadar hassas bir deneyde en küçük rahatsızlıklar bile önemli olabiliyor, açıklamayı erteledi ve analize geri döndü.
İki yıl sonra an sonunda geldi.
11 Temmuz 2024'te saat 15.00'te Schlamminger, Colorado eyaleti Aurora'da düzenlenen yıllık Hassas Elektromanyetik Ölçümler Konferansı'nda sonuçları sunmak üzereydi.
O kadar endişeliydi ki sabah oturumlarını atladı. Bunun yerine ölçümü bozabilecek pek çok şeyi zihninde yeniden gözden geçirdi; sıcaklık ve basınçtaki küçük değişimler de dahil.
O zamana kadar ekibin makul olarak hesaba katabileceği her şeyi hesaba kattığına inanıyordu.
"Deneyin i'lerini gerçekten noktaladım ve t'lerini çizdim," dedi.
Öğleden sonraki sunumunda Schlamminger nihayet gizli sayıyı açıkladı.
Hemen rahatladı.
Deneyin öngördüğü sonucu vermesi için Abbott'un gizli düzeltmesinin nispeten büyük ve negatif olması gerekiyordu.
Öyleydi.
İlk başta bu iyi bir haber gibi görünüyordu.
Ama gün ilerledikçe Schlamminger'de bir sorun olduğunu fark etti. Düzeltme çok büyüktü. Kör veriler geri yüklendiğinde NIST ölçümü Fransız sonucuyla uyuşmuyordu.
Küçük Bir Farkın Büyük Sonuçları
Başka iki yıllık detaylı analizin ardından Schlamminger ve işbirlikçileri ölçümlerini Metrologia'da bildirdi.
G için verdikleri değer 6,67387 × 10⁻¹¹ metre³/kilogram/saniye² oldu.
Bu sonuç, Fransız deneyinde elde edilen değerden %0,0235 daha düşük.
Günlük yaşamda bu kadar küçük bir fark anlamsız olurdu. Banyo tartısının okumasını gözle görülür şekilde değiştirmez ve 16 ons'lık bir kavanoz için ne kadar fıstık ezmesi gerektiği üzerinde etkili olmaz.
Temel fizik için ise uyuşmazlık önemli.
Doğanın diğer temel sabitleri altı veya daha fazla anlamlı basamakla biliniyor. Büyük G ise ısrarla daha az kesin kalıyor.
Tarih de fizikçilere küçük uyuşmazlıklara dikkat etme nedeni veriyor. Bazı durumlarda ölçümler ve beklentiler arasındaki küçük farklılıklar sonunda bilim insanlarının doğanın işleyişi hakkında önemli bir şeyi kaçırdığını ortaya çıkarmış.
Bu, büyük G'deki anlaşmazlığın yeni fiziğe işaret ettiği anlamına gelmiyor. Deneysel hata daha olası açıklama olmaya devam ediyor. Ama hassas deneylerin aynı değere yakınsamaktaki sürekli başarısızlığı gizemi canlı tutuyor.
1798'e Dayanan Bir Deney
BIPM ve NIST ekiplerinin kullandığı teknik iki yüzyıldan fazla bir geçmişe sahip.
Deneyleri, ince askıya alınmış bir lifin ne kadar büküldüğünü ölçerek son derece küçük kuvvetleri algılayabilen bir tork dengesi kullandı.
Temel fikir, İngiliz fizikçi Henry Cavendish'in 1798'de gerçekleştirdiği ünlü deneye dayanıyor.
Cavendish, ahşap bir kirişi merkezinden ince bir tel ile yatay olarak astı ve kirişin iki ucuna iki kurşun top yerleştirdi. Ardından çok daha ağır iki kütleyi yakına konumlandırdı.
Ağır kütleler küçük kurşun topları yerçekimiyle çekti, askıya alınmış kiriş döndü. Kiriş döndükçe tel büküldü ve direnci yerçekimi çekimiyle dengelene kadar devam etti.
Kirişin minik hareketini bir ayna ve ışık işaretçisiyle ölçerek Cavendish, kütleler arasındaki yerçekimi etkileşimini belirleyebildi ve büyük G'nin değerine karşılık gelen bilgiyi elde etti.
200 yıldan fazla bir süre sonra aynı temel ilke hâlâ kullanışlı, ekipman ise çok daha sofistike hale geldi.
Neredeyse Görülmeyecek Kadar Küçük Bir Kuvveti Ölçmek
BIPM ve NIST deneyleri sekiz silindirik metal kütle kullandı.
Dört büyük silindir, eski bir avizedeki dört mumluğa benzeyen bir konfigürasyonda dönen bir karusel üzerinde konumlandırıldı. Dört küçük kütle ise karusel içinde, insan saçı kalınlığında bakır-berilyum bir şeritten asılı bir disk üzerinde bulunuyordu.
Dış ve iç kütleler arasındaki yerçekimi, askıya alınmış tork dengesini döndürerek ince metal şeridi büktü.
Bu hareketi ve ilişkili yerçekimi torkunu hassas şekilde ölçerek araştırmacılar G için bir değer hesaplayabildi. Tork basitçe bir bükme kuvvetidir, bir anahtarı çevirmek için kullanılan kuvvete benzer.
Ama ekipler yalnızca bir yönteme güvenmedi.
Başka bir ölçüm serisinde bilim insanları iç kütlelerin yanına elektrotlar yerleştirdi ve onlara elektrik gerilimi uyguladı.
Ortaya çıkan elektrostatik kuvvet, yerçekimi torkunun ters yönünde tork üretti.
Araştırmacılar daha sonra gerilimi ayarlayarak elektrostatik etkinin yerçekimi etkisini tam olarak dengelemesini ve tork dengesinin dönmesini engellemesini sağladı.
Bu dengeyi sağlamak için gereken gerilim miktarını olağanüstü kesinlikle ölçebildiği için bu, büyük G'yi hesaplamanın başka bir yolunu sağladı.
Bakır ve Safir Aynı Sonucu Verdi
Schlamminger'ın ekibi ek bir test ekledi.
Deneysel kütleler için kullanılan malzemenin sonucu bir şekilde etkileyip etkilemediğini öğrenmek istedi.
Araştırmacılar önce bakır kütlelerle ölçümleri gerçekleştirdi. Ardından deneyi safir ile tekrarladı.
Sonuç her iki malzemede de esasen aynıydı.
Bu sonuç uyuşmazlık için olası bir açıklamayı ortadan kaldırdı ama daha büyük gizemi çözmedi.
On yıllık çalışmanın ardından NIST deneyi, bilim insanlarının büyük G'nin gerçek değerini belirleme çabalarında önemli bir veri noktası haline geldi.
"Her ölçüm önemlidir, çünkü gerçek önemlidir," dedi Schlamminger. "Benim için doğru bir ölçüm yapmak, sayı beklenen değerle uyuşsa da uyuşmasa da evrene düzen getirme yoludur," diye ekledi.
Yıllarca probleme adadıktan sonra Schlamminger, meydan okumayı başkalarına bırakmaya hazır olduğunu söylüyor.
"Sorun üzerinde çalışmayı genç bilim insanları nesillerine bırakacağım," diye ekledi.
"İlerlemeye devam etmeliyiz."
Büyük G Küçük g ile Aynı Değil
Büyük G, yerçekimiyle ilişkilendirilen tek g harfi değil.
Fizikçiler küçük g'yi de kullanır ama iki nicelik çok farklı şeyleri tanımlar.
Küçük g, Dünya gibi yakın büyük bir cismin yerçekimi çekimi nedeniyle bir cismin yaşadığı ivmeyi ifade eder.
Büyük G'nin aksine küçük g bulunduğunuz yere göre değişir.
Dünya yüzeyinin yakınında küçük g yaklaşık 9,8 metre/saniye²'dir. Ay'da kütlesi çok daha az olduğu ve dolayısıyla daha zayıf yerçekimi ivmesi ürettiği için yaklaşık 1,62 metre/saniye²'dir.
Buna karşılık büyük G evrensel kabul edilir.
Bilim insanlarının bildiği kadarıyla kozmosta her yerde aynı değere sahiptir. İki laboratuvar kütlesi, bir insan ve Dünya veya muazzam mesafelerle ayrılmış iki astronomik cisim arasındaki yerçekimi kuvvetini belirler.
Newton'un yerçekimi yasası, kütle, mesafe ve yerçekimi kuvvetini birbirine bağlamak için büyük G'yi kullanır.
İki kütle m1 ve m2 için bilim insanları kütleleri çarpar, sonucu aralarındaki r mesafesinin karesine böler ve ardından büyük G ile çarpar.
Matematiksel olarak yazıldığında ilişki Gm1m2/r² şeklindedir.
İki yüzyıldan fazla bir süre önce bilim insanları onu hassas şekilde ölçmeye çalışmaya başladıktan sonra, bu görünüşte basit sabit fizikte belirlenmesinin en zor sayılarından biri olmaya devam ediyor.
