راز حل‌نشده فیزیک: چرا اندازه‌گیری گرانش این‌قدر دشوار است؟

با وجود پیشرفت‌های چشمگیر در علم فیزیک، یکی از بنیادی‌ترین ثابت‌های طبیعت، یعنی ثابت گرانش نیوتن، همچنان یک راز حل‌نشده باقی مانده است. دانشمندان می‌توانند حرکت سیاره‌ها و فضاپیماها را با دقت بالا پیش‌بینی کنند، اما در مورد مقدار دقیق این نیروی اساسی با اختلاف نظرهای قابل توجهی روبرو هستند.

چرا اندازه‌گیری گرانش این‌قدر دشوار است؟

گرانش نیرویی است که ما هر روز آن را تجربه می‌کنیم؛ نیرویی که ما را روی سطح زمین نگه می‌دارد و ساختار کیهان را شکل می‌دهد. با این حال، با وجود دهه‌ها پژوهش، تعیین مقدار دقیق ثابت گرانش نیوتن (G) به دلیل ماهیت فوق‌العاده ضعیف آن در مقیاس‌های کوچک، بسیار پیچیده است. نیروی گرانشی بین دو جسم معمولی در آزمایشگاه 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، توضیح می‌دهد که چالش اصلی در اندازه‌گیری این نیروی کوچک در حضور میدان گرانشی بسیار بزرگ‌تر زمین است. او تأکید می‌کند که برای چنین آزمایش‌هایی، اجسامی با جرم بسیار دقیق و شرایط کنترل‌شده لازم است.

آزمایش جدید با ۱۳ تن جیوه

در مطالعه‌ای که آوریل ۲۰۲۶ منتشر شد، شلامینگر و همکارانش یکی از دقیق‌ترین آزمایش‌های موجود برای اندازه‌گیری ثابت گرانش را تکرار کردند. آن‌ها 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. این اختلاف، هرچند در کاربردهای روزمره ناچیز به نظر می‌رسد، برای دانش اندازه‌شناسی (مترولوژی) که هدف آن تعیین دقیق کمیت‌های فیزیکی است، قابل توجه است.

دلایل اختلاف در اندازه‌گیری‌ها

از دهه ۱۹۸۰ تاکنون، بیش از دوازده آزمایش مستقل برای اندازه‌گیری ثابت گرانش انجام شده، اما نتایج اغلب با یکدیگر سازگار نبوده‌اند و اختلاف‌هایی فراتر از حد انتظار داشته‌اند. شلامینگر برای توضیح این وضعیت از سرواژه‌ای به نام «PEP» استفاده می‌کند که نماینده فیزیک، مهندسی و روان‌شناسی هستند:

• فیزیک: کم‌احتمال‌ترین توضیح، وجود جنبه‌ای ناشناخته از فیزیک است که بر این اندازه‌گیری‌ها تأثیر می‌گذارد. اگرچه نظریه نسبیت عام اینشتین درک ما از گرانش را متحول کرد و نشان داد که گرانش نتیجه خمیدگی فضا-زمان است، بیشتر دانشمندان معتقدند که اختلاف‌های فعلی ناشی از پدیده بنیادی جدیدی نیست.
• مهندسی: کریستیان روت‌لایتنر، فیزیک‌دان مؤسسه ملی اندازه‌شناسی آلمان، معتقد است منشأ اصلی اختلاف‌ها به فناوری اندازه‌گیری مربوط می‌شود. هر آزمایش از روش متفاوتی (مانند ترازوهای پیچشی، آونگ‌ها یا اجسام در حال سقوط آزاد) استفاده می‌کند و هر یک از این روش‌ها منابع خطای خاص خود را دارند. تشخیص اینکه چه مقدار از سیگنال ثبت‌شده واقعاً ناشی از گرانش است، کار ساده‌ای نیست.
• روان‌شناسی: شلامینگر محتمل‌ترین توضیح را عامل انسانی می‌داند. او اشاره می‌کند که پژوهشگران معمولاً تلاش می‌کنند حاشیه خطای اندازه‌گیری‌های خود را تا حد امکان کوچک نشان دهند تا توجه بیشتری جلب کنند. این فشار حرفه‌ای ممکن است باعث شود میزان عدم قطعیت واقعی آزمایش‌ها کمتر از مقدار واقعی برآورد شود و در نتیجه، نتایج مختلف با یکدیگر ناسازگار به نظر برسند.

اهمیت دانستن مقدار دقیق ثابت گرانش

با وجود این اختلاف‌ها، این پرسش مطرح می‌شود که 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 که برای محاسبه مدار ماهواره‌ها، پیش‌بینی حرکت سیاره‌ها و هدایت فضاپیماها کافی است. بنابراین، 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. او معتقد است اگر این ثابت نقش حیاتی‌تری در فناوری‌های روزمره داشت، سرمایه‌گذاری بسیار بیشتری برای تعیین دقیق آن انجام می‌شد.

با این حال، برای دانشمندانی مانند شلامینگر، این مسئله همچنان جذاب و هیجان‌انگیز است. او معتقد است که هنوز پرسش‌های حل‌نشده فراوانی در علم وجود دارد و این چالش‌ها 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.