راز حل‌نشده فیزیک: چرا اندازه‌گیری گرانش این‌قدر دشوار است؟

خلاصه مقاله:

• با اینکه گرانش یکی از شناخته‌شده‌ترین نیروهای طبیعت است، دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند مقدار دقیق ثابت گرانش نیوتن را تعیین کنند. مشکل اصلی این است که نیروی گرانشی میان اجسام معمولی بسیار ضعیف است و اندازه‌گیری آن در میان اثرات بسیار قوی‌تر گرانش زمین دشوار است.
• پژوهشگران در آزمایش جدیدی با استفاده از ۱۳ تن جیوه مقدار ثابت گرانش را اندازه‌گیری کردند، اما نتیجه آن با برخی اندازه‌گیری‌های پیشین تفاوت داشت. اختلاف میان نتایج آزمایش‌های مختلف از دهه ۱۹۸۰ تاکنون ادامه داشته و هنوز توضیح قطعی برای آن پیدا نشده است.
• برخی دانشمندان اختلاف‌ها را ناشی از محدودیت‌های ابزارهای اندازه‌گیری و خطاهای انسانی می‌دانند، هرچند احتمال وجود فیزیک ناشناخته نیز کاملاً رد نشده است.

در نگاه نخست شاید عجیب به نظر برسد که دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند قدرت دقیق گرانش را تعیین کنند. گرانش نیرویی است که هر روز آن را تجربه می‌کنیم؛ نیرویی که ما را روی سطح زمین نگه می‌دارد، حرکت سیاره‌ها را کنترل می‌کند و ساختار کیهان را شکل می‌دهد. بااین‌حال، با وجود دهه‌ها پژوهش و پیشرفت فناوری، مقدار دقیق این نیروی بنیادی همچنان یکی از دشوارترین کمیت‌ها برای اندازه‌گیری در فیزیک محسوب می‌شود.

فیزیک‌دانان درک بسیار خوبی از رفتار گرانش دارند و می‌توانند با دقت بالا حرکت سیاره‌ها، ماهواره‌ها و فضاپیماها را پیش‌بینی کنند. اما تعیین مقدار دقیق ثابت گرانش نیوتن، که با نماد G شناخته می‌شود، داستان دیگری است. از دهه ۱۹۸۰ تاکنون بیش از دوازده آزمایش مستقل برای اندازه‌گیری این ثابت انجام شده، اما نتایج به‌دست‌آمده اغلب با یکدیگر سازگار نبوده‌اند و اختلاف‌هایی فراتر از حد انتظار داشته‌اند.

دلیل اصلی مشکل این است که گرانش در مقیاس‌های کوچک نیرویی فوق‌العاده ضعیف است. گرچه کشش گرانشی زمین برای ما بسیار محسوس است، نیروی گرانشی میان دو جسم معمولی در زندگی روزمره بسیار ناچیز است. برای مثال، دو جسمی که در یک آزمایشگاه قرار دارند به یکدیگر نیروی گرانشی وارد می‌کنند، اما این نیرو آن‌قدر ناچیز است که اندازه‌گیری آن به تجهیزات بسیار حساس و شرایط آزمایشگاهی ویژه نیاز دارد.

اشتفان شلامینگر، فیزیک‌دان مؤسسه ملی استانداردها و فناوری آمریکا، به لایوساینس می‌گوید مشکل اینجاست که دانشمندان باید این نیروی بسیار کوچک را در حضور میدان گرانشی بسیار بزرگ‌تر زمین اندازه‌گیری کنند. به گفته او، برای انجام چنین آزمایش‌هایی باید از اجسامی استفاده شود که جرم آن‌ها با دقت بسیار بالا شناخته شده است. سپس این اجسام در شرایط کنترل‌شده به یکدیگر نزدیک می‌شوند تا نیروی گرانشی میان آن‌ها اندازه‌گیری شود.

در مطالعه‌ای که آوریل ۲۰۲۶ منتشر شد، شلامینگر و همکارانش یکی از دقیق‌ترین آزمایش‌های موجود برای اندازه‌گیری ثابت گرانش را تکرار کردند. پژوهشگران برای این کار از حدود ۱۳ تن جیوه استفاده کردند تا تغییرات بسیار کوچکی در میدان گرانشی ایجاد کنند. با این حال حتی چنین جرم عظیمی نیز تغییر بسیار اندکی در میدان گرانشی محیط به وجود آورد.

شلامینگر توضیح می‌دهد که تغییر ایجادشده در میدان گرانشی تنها حدود یک میلیونیم تأثیر گرانش محلی زمین بود. این موضوع نشان می‌دهد که پژوهشگران برای اندازه‌گیری ثابت گرانش باید سیگنالی بسیار ضعیف را از میان انبوهی از اثرات محیطی و نویزهای مختلف استخراج کنند.

این گروه پژوهشی مقدار ثابت گرانش را برابر با ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۶۶۷۳۸۷ متر مکعب بر کیلوگرم بر ثانیه مربع محاسبه کرد. این مقدار حدود ۰٫۰۲۳۵ درصد کمتر از نتیجه آزمایش قبلی بود. هرچند چنین اختلافی در بسیاری از کاربردهای روزمره ناچیز به نظر می‌رسد، برای دانش اندازه‌شناسی یا مترولوژی، که هدف آن تعیین دقیق کمیت‌های فیزیکی است، اختلافی قابل توجه محسوب می‌شود.

کریستیان روت‌لایتنر، فیزیک‌دان مؤسسه ملی اندازه‌شناسی آلمان که در سال ۲۰۱۷ همراه با شلامینگر بررسی جامعی از همه اندازه‌گیری‌های انجام‌شده برای ثابت گرانش منتشر کرده بود، در پژوهش جدید حضور نداشت. او می‌گوید دانشمندان باید نیرویی بسیار کوچک را با دقتی در حد شش رقم اعشار یا بیشتر اندازه‌گیری کنند. به گفته او، این کار تقریباً معادل آن است که بخواهیم وزن تنها هفت سلول انسانی را اندازه بگیریم.

این اختلاف‌ها پرسش مهمی را مطرح می‌کنند: چرا اندازه‌گیری‌های مختلف به نتایج متفاوتی می‌رسند؟ در نگاه نخست ممکن است تصور شود که همه این اندازه‌گیری‌ها کم‌وبیش درست هستند و مقدار واقعی ثابت گرانش در جایی میان آن‌ها قرار دارد. اما مشکل اینجاست که هر آزمایش حاشیه خطای مشخصی را گزارش می‌کند و این بازه‌های خطا معمولاً با یکدیگر هم‌پوشانی ندارند. به بیان دیگر، اختلاف میان نتایج بیشتر از چیزی است که دانشمندان انتظار دارند.

شلامینگر برای توضیح این وضعیت از سرواژه‌ای به نام «PEP» استفاده می‌کند؛ سه حرفی که به ترتیب نماینده فیزیک، مهندسی و روان‌شناسی هستند.

از دید او کم‌احتمال‌ترین توضیح، عامل فیزیکی است. این احتمال وجود دارد که هنوز جنبه‌ای ناشناخته از فیزیک وجود داشته باشد که بر این اندازه‌گیری‌ها تأثیر می‌گذارد. در گذشته نیز نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین درک دانشمندان از گرانش را متحول کرد و نشان داد که گرانش صرفاً یک نیرو نیست، بلکه نتیجه خمیدگی فضا-زمان در حضور جرم و انرژی است. بنابراین نمی‌توان به‌طور کامل احتمال وجود فیزیک ناشناخته را رد کرد.

در نظریه نسبیت عام، فضا و زمان ساختار چهاربعدی واحدی به نام فضا-زمان را تشکیل می‌دهند. اجرام پرجرم مانند زمین، خورشید یا سیاه‌چاله‌ها این ساختار را خم می‌کنند و آنچه ما به‌عنوان گرانش تجربه می‌کنیم در واقع حرکت اجسام در این فضا-زمان خمیده است. با این حال بیشتر دانشمندان معتقدند که اختلاف اندازه‌گیری‌های فعلی احتمالاً ناشی از چنین پدیده بنیادی جدیدی نیست.

روت‌لایتنر نیز این دیدگاه را دارد. او معتقد است که منشأ اصلی اختلاف‌ها به فناوری اندازه‌گیری مربوط می‌شود، نه به قوانین ناشناخته فیزیک.

هر آزمایش برای اندازه‌گیری ثابت گرانش از روش متفاوتی استفاده می‌کند. برخی پژوهشگران از ترازوهای پیچشی بهره می‌برند؛ ابزارهایی بسیار حساس که با اندازه‌گیری میزان پیچش یک رشته نازک می‌توانند نیروهای بسیار کوچک را آشکار کنند. گروه‌های دیگر از آونگ‌ها، اجسام در حال سقوط آزاد یا روش‌های نوین دیگر استفاده می‌کنند. هر یک از این روش‌ها منابع خطای خاص خود را دارند و تشخیص اینکه چه مقدار از سیگنال ثبت‌شده واقعاً ناشی از گرانش است، کار ساده‌ای نیست.

به گفته روت‌لایتنر، چنین آزمایش‌هایی نیازمند تخصص در حوزه‌های گوناگون فیزیک، مهندسی، ابزار دقیق، علم مواد و روش‌های پیشرفته اندازه‌گیری هستند. هیچ پژوهشگری نمی‌تواند در همه این زمینه‌ها متخصص باشد و همین موضوع احتمال بروز خطاهای ناخواسته را افزایش می‌دهد.

اما از نظر شلامینگر، محتمل‌ترین توضیح شاید به عامل انسانی مربوط باشد؛ چیزی که او آن را بخش «روان‌شناسی» ماجرا می‌نامد.

او توضیح می‌دهد که پژوهشگران معمولاً تلاش می‌کنند حاشیه خطای اندازه‌گیری‌های خود را تا حد امکان کوچک نشان دهند، زیرا نتایج دقیق‌تر توجه بیشتری را جلب می‌کند و اعتبار علمی بیشتری به همراه دارد. به باور او، این فشار حرفه‌ای ممکن است باعث شود برخی گروه‌های پژوهشی میزان عدم قطعیت واقعی آزمایش‌های خود را کمتر از مقدار واقعی برآورد کنند. در نتیجه، نتایج مختلف با یکدیگر ناسازگار به نظر می‌رسند.

با وجود همه این اختلاف‌ها، پرسش دیگری مطرح می‌شود: آیا دانستن مقدار دقیق ثابت گرانش واقعاً اهمیت زیادی دارد؟

در عمل، دانشمندان مقدار حاصل‌ضرب ثابت گرانش در جرم زمین را با دقت بسیار خوبی می‌دانند. همین کمیت برای محاسبه مدار ماهواره‌ها، پیش‌بینی حرکت سیاره‌ها و هدایت فضاپیماها کافی است. به همین دلیل، بسیاری از کاربردهای عملی به مقدار دقیق G وابسته نیستند.

روت‌لایتنر می‌گوید ثابت گرانش نیوتن بیشتر از آنکه اهمیت کاربردی داشته باشد، موضوعی علمی و دانشگاهی است. به اعتقاد او، اگر این ثابت نقش حیاتی‌تری در فناوری‌های روزمره داشت، دولت‌ها و مراکز پژوهشی سرمایه‌گذاری بسیار بیشتری برای تعیین دقیق آن انجام می‌دادند.

با این حال، برای دانشمندانی مانند شلامینگر، این مسئله همچنان جذاب و هیجان‌انگیز است. او معتقد است بسیاری از مردم تصور می‌کنند که علم تقریباً همه چیز را کشف کرده است، اما واقعیت این است که هنوز پرسش‌های حل‌نشده فراوانی وجود دارد. شاید این پرسش‌ها در مقایسه با رازهای بزرگ کیهان کوچک به نظر برسند، اما همچنان چالش‌هایی واقعی هستند که می‌توانند به کشفیات تازه منجر شوند.

ثابت گرانش به عنوان یکی از قدیمی‌ترین و در عین حال سرسخت‌ترین معماهای اندازه‌گیری در فیزیک مدرن، یادآور این حقیقت است که حتی درباره نیرویی که هر لحظه آن را تجربه می‌کنیم، چیزهایی وجود دارد که به‌طور کامل نمی‌دانیم.