Πώς θα μετρήσετε το βαρυτικό πεδίο μιας πασχαλίτσας

Ερευνητές στην Αυστρία κατάφεραν να μετρήσουν το ασθενέστερο βαρυτικό πεδίο που έχει προσδιοριστεί ποτέ, ένα πειραματικό κατόρθωμα που ίσως τελικά φέρει σε συμφιλίωση την κβαντική μηχανική και την σχετικότητα του Αϊνστάιν -τις δύο θεμελιώδεις θεωρίες της φυσικής που μέχρι σήμερα παραμένουν ασύμβατες.

Η βαρύτητα είναι η ασθενέστερη από τις τέσσερις δυνάμεις που γνωρίζουμε στη φύση (οι υπόλοιπες είναι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η ασθενής πυρηνική και η ισχυρή πυρηνική δύναμη). Κι όμως, παρά την ασθενικότητά της, η βαρύτητα είναι η δύναμη που όλοι γνωρίζουμε καλύτερα στην καθημερινή ζωή –στη χειρότερη περίπτωση όταν σκοντάφτουμε και πέφτουμε με φόρα προς το κέντρο της Γης μέχρι να μας σταματήσει το πάτωμα.

Οι ερευνητές μέτρησαν τη βαρυτική έλξη μιας σφαίρας χρυσού με μάζα 90 milligram, περίπου όσο μια πασχαλίτσα (© Tobias Westphal / Arkitek Scientific)

Στη Σελήνη, η οποία έχει τέσσερις φορές μικρότερο μέγεθος και έξι φορές μικρότερη μάζα από τη Γη, τα αντικείμενα πέφτουν έξι φορές πιο αργά.

Πόσο γρήγορα θα έπεφταν σε έναν πλανήτη με μάζα 90 milligram, όσο το βάρος μιας πασχαλίτσας; Τριάντα δισεκατομμύρια φορές πιο αργά, είναι η απάντηση που δίνει η νέα μελέτη στην έγκριτη επιθεώρηση Nature.

Από τον Νεύτωνα στον Αϊνστάιν

Την εποχή του Νεύτωνα, οι φυσικοί πίστευαν ότι η βαρυτική έλξη είναι ιδιότητα μόνο των ουράνιων σωμάτων όπως η Γη και η Σελήνη. Πέρασε καιρός μέχρι το έργο του Χένρι Κάβεντις να αποδείξει τον 18^ο αιώνα ότι όλα τα σώματα ασκούν βαρυτική έλξη στα πάντα γύρω τους.

Χάρη σε ένα ιδιοφυές πείραμα, ο Κάβεντις κατάφερε να μετρήσει το 1797 το βαρυτικό πεδίο μιας σφαίρας μολύβδου με μάζα 60 κιλών. Χρησιμοποίησε γι ‘αυτό ένα «εκκρεμές ροπής», μια ράβδο με δύο μολυβένιες σφαίρες στα άκρα της, κρεμασμένη από το κέντρο της με ένα λεπτό σύρμα.

Η νέα μελέτη βασίστηκε στην ίδια ιδέα, χρησιμοποιώντας όμως μια μινιατούρα του εκκρεμούς του Κάβεντις. Στη θέση της μολύβδινης σφαίρας των 160 κιλών, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια σφαίρα χρυσού με μάζα 90 mg. Το εκκρεμές στροφής αποτελείτο από μια γυάλινη ράβδο, με μήκος 4 εκατοστά και πάχος μισό χιλιοστό, η οποία κρεμόταν από μια ίνα γυαλιού με πάχος μερικά νανόμετρα (εκατομμυριοστά του χιλιοστού). Στις άκρες της ράβδου είχαν αναρτηθεί μικρές σφαίρες από χρυσό.

Το μικροσκοπικό εκκρεμές που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα (© Tobias Westphal)

«Μετακινούσαμε τη χρυσή σφαίρα μπρος και πίσω και παραγάγαμε έτσι ένα βαρυτικό πεδίο που μεταβάλλεται στην πορεία του χρόνου» αναφέρει ο Τζερεμάιας Φαφ, μέλος της ερευνητικής ομάδας στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης.

Αυτό προκαλούσε την ταλάντωση του εκκρεμούς σε μια συγκεκριμένη συχνότητα, με το πλάτος της ταλάντωσης να μην υπερβαίνει τα μερικά νανόμετρα. Μια τέτοια μετατόπιση δεν θα ήταν καν ορατή με γυμνό μάτι, μετρήθηκε όμως με ακρίβεια με τη βοήθεια μιας δέσμης λέιζερ.

Η βασική δυσκολία του πειράματος δεν ήταν η μέτρηση της ταλάντωσης αλλά το περιβάλλον του εργαστηρίου. «Η μεγαλύτερη μη βαρυτική επίδραση προερχόταν από τις δονήσεις που προκαλούν οι πεζοί και τα τραμ γύρω από το εργαστήριό μας στη Βιέννη» επισημαίνει ο Χανς Χέπακ, επίσης μέλος της ερευνητικής ομάδας.

«Για το λόγο αυτό συλλέξαμε τις καλύτερες μετρήσεις στη διάρκεια της νύχτας και των διακοπών των Χριστουγέννων, όταν η κίνηση ήταν περιορισμένη».

Άλλες επιδράσεις όπως η ηλεκτροστατική έλξη περιορίστηκαν επαρκώς χάρη σε μια αγώγιμη πλάκα που τοποθετήθηκε ανάμεσα στις χρυσές σφαίρες.

Η δυνατότητα μέτρησης βαρυτικών πεδίων γύρω από μικροσκοπικά σώματα, λένε οι ερευνητές, θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες ανακαλύψεις σχετικά με τη σκοτεινή ενέργεια, μια υποθετική δύναμη που δρα αντίθετα προς τη βαρύτητα και θεωρείται η αιτία για την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος.

Επόμενος στόχος των ερευνητών είναι να μετρήσουν ακόμα μικρότερα βαρυτικά πεδία στα οποία ενδέχεται να εμφανίζονται κβαντικά φαινόμενα.

Απώτερος στόχος είναι η σύνδεση της θεωρίας της σχετικότητας, η οποία περιγράφει τη βαρύτητα, με την επιστήμη της κβαντομηχανικής, η οποία περιγράφει τις υπόλοιπες τρεις δυνάμεις του Σύμπαντος.

Για την ακρίβεια, στη θεωρία της σχετικότητας η βαρύτητα δεν είναι καν δύναμη –αυτό που ονομάζουμε βαρυτική έλξη είναι στην πραγματικότητα αποτέλεσμα της παραμόρφωσης του χωροχρόνου από αντικείμενα μεγάλης μάζας όπως οι πλανήτες. Στη σχετικότητα, τα αντικείμενα δεν «πέφτουν» προς το κέντρο της μάζας, απλά κινούνται σε ευθείες που ακολουθούν την καμπύλωση του χωροχρόνου.

«Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, η βαρυτική δύναμη είναι συνέπεια του γεγονότος ότι οι μάζες καμπυλώνουν τον χωροχρόνο μέσα στον οποίο κινούνται άλλες μάζες» εξηγεί ο Τομπάιας Βέστφαλ, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης.

«Επομένως αυτό που μετρήσαμε είναι στην πραγματικότητα ο τρόπος με τον οποίο μια πασχαλίτσα καμπυλώνει τον χωροχρόνο γύρω της».