ABD’nin Maryland eyaletindeki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) araştırmacıları, kütleçekim sabiti olarak bilinen büyük G’nin (big G) yeni bir ölçümünü gerçekleştirdi. Daha önce Fransa’daki Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu’nda (BIPM) uygulanan bir deneyin birebir kopyası olan bu çalışma, 2014’teki sonuçtan oldukça farklı bir değer verdi. Fizikçiler, arka plandaki ısı dengesizlikleri, kütle yoğunluk farkları ve çevresel titreşimler gibi küçük etkilerin, kütleçekim gibi nispeten zayıf bir kuvvetin ölçümünde hâlâ belirleyici rol oynadığını bildiriyor.
- NIST araştırmacıları, temel sabit G için yaptıkları yeni ölçümde 57 ppm (milyonda bir) belirsizlik açıkladı.
- 2014’teki BIPM ölçümünden 250 ppm daha düşük bir değer elde edildi; iki sonuç birbiriyle uyumsuz.
- Arka plan etkileri ve deney düzeneğindeki çok sayıda değişken, “suçlu silah” bulunamamasına yol açtı.
Newton’un Evrensel Yasasının En Zor Sabiti: Büyük G
Newton’un evrensel kütleçekim yasasına göre iki cisim arasındaki çekim kuvveti, kütlelerinin çarpımı ile doğru, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır. Bu ilişkideki orantı sabiti olan G (6.67430 × 10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻² civarında), temel fizik sabitleri arasında en düşük kesinliğe sahip olanlardan biridir. Elektrostatik kuvvet sabiti (Coulomb sabiti) milyarda bir (ppb) düzeyinde belirsizlikle ölçülebilirken, G için yapılan yüksek hassasiyetli ölçümler arasındaki farklılıklar yüz milyonda birkaç yüz (ppm) mertebesindedir.
Henry Cavendish, 1798 yılında burulma terazisiyle (torsion balance) G’yi ilk kez laboratuvar ortamında ölçtüğünde 6.74 × 10⁻¹¹ değerine ulaşmıştı. Günümüzdeki deneyler hâlâ aynı temel prensibi kullanıyor: ince bir fiberle tavana asılmış ince bir çubuğun iki ucundaki test kütleleri, sabit referans kütlelerinin yanına getirildiğinde oluşan kütleçekimsel sapma ölçülüyor.
NIST’in BIPM Kopyası: İki Bağımsız Kuvvet Ölçümü
NIST ekibi, BIPM’de 2014’te kullanılan düzeneğin aynısını kurdu. Cavendish’in iki kütleli sisteminden farklı olarak bu düzenek dört test kütlesi kullanıyor. NIST’ten Stephan Schlamminger’e göre ek iki kütle, laboratuvara giren bir insanın yürümesi gibi çevresel kütleçekim bozucularına karşı duyarlılığı azaltıyor. Ancak bu avantajın bir bedeli var: kütlelerin konumlarının aşırı hassasiyetle ölçülmesi gerekiyor.
Düzeneğin bir diğer önemli özelliği, iki bağımsız kuvvet ölçüm yöntemini aynı anda kullanması:
- Geleneksel burulma yöntemi: Fiberin dönme açısından geri çağırıcı tork (restoring torque) hesaplanır.
- Elektrostatik dengeleme: Kütleçekim kuvveti, onu tam olarak dengeleyen bir elektrostatik kuvvetle ölçülür.
Araştırmacılar, herhangi bir yanlılıktan kaçınmak için verileri yıllar boyunca “kör” tuttular. Verilerin açıldığında elde edilen G değeri 6.67387 × 10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻² oldu. Belirsizlik 57 ppm (milyonda 57) düzeyinde. Bu sonuç, 2022 itibarıyla dünya ortalamasıyla 1 standart sapma dahilinde uyum gösteriyor. Ancak 2014’teki BIPM değerinden tam 250 ppm daha düşük. Bu fark, kütleçekim sabiti ölçümlerindeki uyumsuzluğun henüz çözülmediğini kanıtlıyor.
Tek Bir “Suçlu Silah” Yok: Sıcaklık, Yoğunluk ve Çoklu Etkenler
Schlamminger ve ekibi, farklılığın kaynağını bulmak için olası tüm arka plan etkilerini tek tek inceledi. Sıcaklık dengesizlikleri, kütlelerin içindeki yoğunluk değişimleri, manyetik alanlar ve titreşimler test edildi. Ancak hiçbiri tek başına 250 ppm’lik sapmayı açıklayamayacak kadar küçük çıktı.
“Tek bir silah bulamadık, muhtemelen çok sayıda etkenin birleşimi” diyen Schlamminger, bu sonucun deneylerin ne kadar kırılgan olduğunu gösterdiğini belirtiyor. Kütleçekimin zayıflığı, küçük çevresel bozucuların bile ölçümü bozmasına izin veriyor. Örneğin laboratuvarın yakınından geçen bir aracın yarattığı titreşim ya da odadaki birkaç derecelik sıcaklık değişimi, burulma fiberinin mekanik özelliklerini yeterince değiştirebiliyor.
Ayrıca bakınız: Temel Sabitlerin Ölçümünde Atom İnterferometrisi Yöntemi
Atom İnterferometrisi ve Ölçüm Teknolojisinin Mihenk Taşı
Schlamminger, artık G ölçümlerine bir süre ara vereceğini söylüyor. Ancak bu alana olan ilgisini kaybetmiş değil. İleride, atom interferometrisi (atom interferometry) gibi tamamen farklı prensiplere dayanan yöntemlerin G’nin kesinliğini artırabileceğini düşünüyor. Atom interferometrisinde, soğuk atomların serbest düşüşü sırasındaki kuantum girişim desenleri kullanılarak kütleçekim ivmesi ölçülür; bu yöntem, mekanik burulma düzeneklerindeki birçok arka plan etkisini doğal olarak devre dışı bırakır.
G’nin kesin değeri yalnızca teorik fizik için değil, aynı zamanda gelecek uygarlıkların kendi ölçüm teknolojilerini kalibre edebilecekleri bir tür “evrensel cetvel” olması açısından da önem taşıyor. NIST ekibinin çalışması, mevcut en iyi laboratuvar teknikleriyle bile kütleçekimin ne kadar inatçı bir sabit olduğunu gözler önüne seriyor
İlgili Diğer Haberler:
https://fizikhaber.com/fizikte-temel-buyukluklerin-tarihcesi/
Kaynakça:
Haberi Derleyen ve Sunan: Hasan Ongan
Kaynakça: physics.aps.org/articles/v19/64
