İsviçre’de titreşimler ve vakum odaları kullanılarak yürütülen bir deney, kütleçekim sabitini kesinleştirmemize yardımcı olabilir.
Kütleçekim her yerde. Dünya’yı Güneş’in etrafındaki yörüngesine sabitleyen, ağaçların sonsuza kadar büyümesini önleyen ve yemeğimizi tabakta tutan bir kuvvet bu. Ayrıca, evreni anlama yolunda da önemli bir bileşen.
Peki bu kuvvet ne kadar güçlü? Bir cisim ister tüy kadar hafif olsun, ister taş kadar ağır; kütleçekimin aynı etkiyi gösterdiğini biliyoruz. Fakat evrendeki kütleçekimi yüzyıllardır inceleseler de, bilim insanlarının bu soruya kesin bir cevabı yok.
Isaac Newton’un evrensel kütleçekim kanununa göre iki cismi (veya parçacığı) birbirine yaklaştıran kütleçekim kuvveti, bu cisimler ağırlaştıkça ve birbirine yaklaştıkça artıyor. Örneğin birbirinden 10 cm uzakta duran iki tüyün arasındaki kütleçekim kuvveti, birbirinden aynı uzaklıkta bulunan iki elma arasındaki kütleçekim kuvvetinden daha zayıf. Fakat bu gücün kesin şekilde hesaplanması, kütleçekim sabiti adı verilen ve denklemlerde “G” harfiyle temsil edilen evrensel bir değişkene bağlı.
Fizikçiler, “G”ye tam olarak hangi değerin atanması gerektiğini bilmiyor. Fakat İsviçre’de ortaya atılan bir yaklaşım, kütleçekimin nasıl daha iyi test edilebileceğiyle ilgili yeni fikirler sağlayabilir.
ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsünün Fizik Ölçüm Laboratuvarında çalışan fizikçi Stephan Schlamminger, “Bunlar temel sabitler” diyor. “Esasında evrenin kumaşına işlenmişler. İnsanlar bunların değerini bulmak için deneyler yürütse de, gerçek değeri asla bilemeyeceğiz. Gerçeğe gittikçe yaklaşabiliriz, deneyler gitgide daha iyi hale gelebilir ve sonunda gerçek değere yakınlaşabiliriz.”
“G”yi ölçmek neden bu kadar zor?
Uluslararası Saf ve Uygulamalı Fizik Birliğine bağlı Newtoncu Kütleçekim Sabiti Çalışma Grubu’nun başkanlığını yürüten Schlamminger, ölçmenin bir şeyi saymaktan farklı olduğunu ve bu yüzden doğası gereği kesin olmadığını söylüyor.
“Elinize mezura alıp bir masanın uzunluğunu ölçtüğünüzü ve gerçek değerin iki çizgi arasına düştüğünü düşünelim. Bu durumda gözünüzü kullanarak sayının nerede durduğunu bulmanız gerekir” diyor. “Belki bir mikroskop ya da başka bir şey kullanabilirsiniz. Ölçme yöntemi ne kadar gelişmiş olursa, belirsizlik o kadar ufalacaktır. Fakat belirsizlik her zaman vardır.”
Schlamminger, aynı sorunun kütleçekim sabitinde de yaşandığını ve araştırmacıların iki cisim arasındaki kuvveti daima aynı artış biçimiyle ölçeceklerini söylüyor. Bunun sonucunda, elde edilen sonuçlara bir miktar belirsizlik ilave edilmesi gerekiyor.
Üstelik bir laboratuvardaki cisimler arasında test edilebilen kütleçekim kuvveti, her zaman tesisin boyutuyla sınırlı kalıyor. Bu yüzden çeşitli kütlelerin gelişmiş aletlerle ölçülmesi daha da çetrefilli bir hale geliyor.
Son olarak ise İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsünde çalışan mekanik ve deneysel dinamikler profesörü Jürg Dual, yapılan okumalarda her zaman girişim olabileceğini söylüyor. Bunun sebebiyse kütlesi olan her cismin, yakınında bulunan ve kütlesi olan diğer her şeye kütleçekim kuvveti uygulaması. Dolayısıyla deney yapan kişilerin; Dünya’nın, kendilerinin ve test sonuçlarında ağırlık tutan tüm diğer varlıkların harici kütleçekim etkisini ortadan kaldırabilmesi gerekiyor. Dual, kütleçekim sabitinin yeniden belirlenmesi amacıyla yeni bir deney yürütmüş.
Fizikçiler hangi deneyleri denedi?
1798 yılında burulma terazisi adı verilen bir yöntem kullanan Henry Cavendish, kütleçekim sabitinin ölçüldüğü laboratuvar deneylerinin standardını belirlemiş.
Bu yöntem, değiştirilmiş bir tür sarkaca dayanıyor. Her bir ucunda iki test kütlesi bulunan bir çubuk, aşağı sarkan ince bir telle ortasından asılı duruyor. Çubuk Dünya’nın kütleçekim alanına paralel durduğundan, Cavendish gezegenin uyguladığı kuvvetin büyük bir kısmını ölçümlerden çıkarmayı başarmış.
Cavendish, test kütlesi olarak beş cm çapında iki kurşun küresi kullanmış. Ardından, 30 cm çapındaki daha büyük kurşun kürelerden oluşan ikinci bir kütle takımı eklemiş. Bu cisimlerin, test kütlelerinden ayrı asılması fakat birbirine yakın olması gerekiyormuş. Bunlara “kaynak” kütle adı veriliyor. Boyutu daha büyük olan bu kurşun kürelerin meydana getirdiği çekim kuvveti, telin bükülmesine sebep oluyor. Cavendish ve halefleri, bu bükülmenin açısından yola çıkarak test ve kaynak kütleler arasında etkileşim meydana getiren kütleçekim kuvvetini hesaplamayı başarmış. Her bir cismin kütlesini bildiklerinden, “G”yi de hesaplamayı başarmışlar.
Cavendish’ten beri geçen yüzlerce yıllık dönemde, başkaları da benzer yöntemler kullanmış. Fakat Schlamminger, bu kişilerin her zaman aynı “G” değerine veya aynı belirsizlik aralığına ulaşmadıklarını söylüyor. Hesaplamalardaki belirsizlikler arasında görülen bu uyuşmazlık ise “büyük bir muamma.”
Dolayısıyla fizikçiler, “G”nin ölçümünde bir gün daha kesin bir cevaba ulaşmayı sağlayabilecek yeni yöntemler türetmeye devam etmiş.
Dual’in öncülük ettiği ve İsviçre’de çalışan bir araştırma takımı, daha geçtiğimiz hafta Nature Physics bülteninde yeni bir yöntem yayımlamış. Bilim insanlarının bulduğu yeni yöntem, etraftan gelen gürültüyü keserek daha isabetli sonuçlar getirebilir.
Deney düzeneğinde, vakum odalarında asılı duran iki metre uzunluğundaki ışınlar yer alıyor. Araştırmacılar ışınlardan birini belli bir frekansta titreştirirken, iki ışın arasındaki kütleçekim kuvveti yüzünden diğer ışın da hareket etmeye başlamış. Lazer algılayıcılar kullanarak iki ışının hareketini ölçen araştırmacılar, sonrasında bir ışının diğeri üzerinde oluşturduğu etkiye bakarak kütleçekim sabitini hesaplamışlar.
Bilim insanlarının elde ettiği ilk sonuçlardan gelen “G” değeri, Uluslararası Bilim ve Teknoloji Veri Komitesinin önerdiği resmi değerden (6,67430×10−11 m3⋅kg−1s−2) yüzde 2,2 civarı daha yüksek ve nispeten geniş bir belirsizlik çerçevesi barındırıyor.
“Sonuçlarımız, önceki deneylerden belirlenen ‘G’ değerlerleriyle az çok uyuşuyor” diyor Dual. “Newton her ne kadar bizim sunduğumuz gibi bir durumu düşünmemiş olsa da, Newton’ın kanununun da geçerli olduğunu görüyoruz. Gelecekte daha hassas ölçümler yapacağız. Fakat şimdilik, bu yeni bir ölçüm.”
Yeni araştırmada yer almayan Schlamminger, bunun yavaş ilerleyen fakat dünya çapında ortak çalışılan bir girişim olduğunu söylüyor. “Büyük ‘G’ ile ilgili çok nadiren makale yayımlanıyor” diyor Schlamminger. Bu sebeple araştırmacıların sonuçları kütleçekim sabitine yönelik en kesin ölçüm olmasa da, yeni bir yaklaşımın sergilenmesi ve evrenin en ağır matematiksel sabitlerden birine başka bir ölçümün ilave edilmesi “heyecan verici.”
Yazar: Eva Botkin Kowacki/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
