راز حل نشده فیزیک: چرا اندازهگیری دقیق گرانش هنوز بسیار دشوار است؟
زومیت: دانشمندان می توانند حرکت سیارات و فضاپیماها را با دقت بالایی پیش بینی کنند، اما هنوز در مورد مقدار دقیق یکی از اساسی ترین ثابت های طبیعت به توافق نرسیده اند.
شاید در نگاه اول عجیب به نظر برسد که دانشمندان هنوز نتوانسته اند قدرت گرانش را به طور دقیق تعیین کنند. جاذبه نیرویی است که ما هر روز آن را تجربه می کنیم. نیرویی که ما را روی سطح زمین نگه می دارد، حرکت سیارات را کنترل می کند و ساختار جهان را شکل می دهد. با این حال، علیرغم دههها تحقیق و پیشرفتهای فناوری، ارزش دقیق این نیروی بنیادی یکی از دشوارترین کمیتها برای اندازهگیری در فیزیک است.
فیزیکدانان درک بسیار خوبی از رفتار گرانش دارند و می توانند حرکت سیارات، ماهواره ها و فضاپیماها را با دقت بالایی پیش بینی کنند. اما تعیین مقدار دقیق ثابت گرانشی نیوتن، معروف به G، داستان دیگری است. از دهه 1980، بیش از دوازده آزمایش مستقل برای اندازه گیری این ثابت انجام شده است، اما نتایج به دست آمده اغلب با یکدیگر سازگار نبوده و تفاوت هایی فراتر از انتظار داشتند.
دلیل اصلی مشکل این است که گرانش یک نیروی فوق العاده ضعیف در مقیاس های کوچک است. اگرچه کشش گرانشی زمین برای ما بسیار محسوس است، اما نیروی گرانشی بین دو جسم معمولی در زندگی روزمره بسیار ناچیز است. به عنوان مثال دو جسم در آزمایشگاه به یکدیگر نیروی گرانشی وارد می کنند اما این نیرو به قدری کم است که اندازه گیری آن به تجهیزات بسیار حساس و شرایط آزمایشگاهی خاصی نیاز دارد.
استفان شلمینگر، فیزیکدان موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده، به LiveScience گفت: مشکل این است که دانشمندان باید این نیروی بسیار کوچک را در حضور میدان گرانشی بسیار بزرگتر زمین اندازهگیری کنند. به گفته وی برای انجام چنین آزمایشاتی باید از اجسامی که جرم آنها با دقت بالایی مشخص است استفاده کرد. سپس این اجسام تحت شرایط کنترل شده به یکدیگر نزدیک می شوند تا نیروی گرانش بین آنها اندازه گیری شود.
در مطالعهای که در آوریل 2026 منتشر شد، شلمینگر و همکارانش یکی از دقیقترین آزمایشهای موجود برای اندازهگیری ثابت گرانشی را تکرار کردند. برای این کار، محققان از حدود 13 تن جیوه برای ایجاد تغییرات بسیار جزئی در میدان گرانشی استفاده کردند. با این حال، حتی چنین جرم عظیمی تغییر بسیار کمی در میدان گرانشی اطراف ایجاد کرد.
شلمینگر توضیح می دهد که تغییر حاصل در میدان گرانشی تنها حدود یک میلیونم اثر گرانش محلی زمین بود. این نشان می دهد که برای اندازه گیری ثابت گرانشی، محققان باید سیگنال بسیار ضعیفی را از میان انبوهی از اثرات محیطی و نویز استخراج کنند.
گروه تحقیق مقدار ثابت گرانش را معادل 0.0000000000667387 متر مکعب بر کیلوگرم بر ثانیه محاسبه کردند. این مقدار حدود 0.0235% کمتر از نتیجه آزمایش قبلی بود. اگرچه چنین تفاوتی در بسیاری از کاربردهای روزمره ناچیز به نظر می رسد، اما برای علم مترولوژی یا مترولوژی که هدف آن تعیین دقیق کمیت های فیزیکی است، تفاوت قابل توجهی است.
در سال 2017، کریستین روتلیتنر، فیزیکدان مؤسسه ملی مترولوژی آلمان، به همراه شلمینگر، مروری جامع از تمام اندازه گیری های انجام شده برای ثابت گرانشی منتشر کرد. او که در تحقیقات جدید شرکت نداشت، میگوید که دانشمندان باید نیروی بسیار کوچکی را با دقت شش رقم اعشار یا بیشتر اندازهگیری کنند. به گفته وی، این تقریباً معادل تلاش برای اندازه گیری وزن تنها هفت سلول انسانی است.
این تفاوت ها یک سوال مهم را ایجاد می کند: چرا اندازه گیری های مختلف به نتایج متفاوتی می رسند؟ در نگاه اول، ممکن است تصور شود که همه این اندازهگیریها کم و بیش درست هستند و مقدار واقعی ثابت گرانشی جایی در این بین است. اما مشکل اینجاست که هر تست حاشیه خطای مشخصی را گزارش میکند و این حاشیههای خطا معمولاً با هم همپوشانی ندارند. به عبارت دیگر، تفاوت بین نتایج بیشتر از آن چیزی است که دانشمندان انتظار دارند.
شلمینگر از کلمه کلیدی به نام “PEP” برای توضیح این وضعیت استفاده می کند. سه حرف به ترتیب نشان دهنده فیزیک، مهندسی و روانشناسی است. از دیدگاه او کمترین احتمال توضیح عامل فیزیکی است. این امکان وجود دارد که جنبه ای هنوز ناشناخته از فیزیک وجود داشته باشد که بر این اندازه گیری ها تأثیر می گذارد.
در گذشته، نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، درک دانشمندان از گرانش را متحول کرد و نشان داد که گرانش فقط یک نیرو نیست، بلکه نتیجه خمش فضا-زمان در حضور جرم و انرژی است. بنابراین، امکان فیزیک ناشناخته را نمی توان به طور کامل رد کرد.
در نظریه نسبیت عام، فضا و زمان یک ساختار چهار بعدی واحد به نام فضا-زمان را تشکیل می دهند. اجرام عظیمی مانند زمین، خورشید یا سیاهچاله ها این ساختار را خم می کنند و آنچه ما به عنوان گرانش تجربه می کنیم در واقع حرکت اجسام در این فضا-زمان منحنی است. با این حال، اکثر دانشمندان بر این باورند که اختلاف در اندازهگیریهای کنونی احتمالاً به دلیل چنین پدیدهای اساساً جدید نیست.
روتلایتنر نیز این دیدگاه را دارد. او معتقد است که منبع اصلی تفاوت ها مربوط به فناوری اندازه گیری است نه قوانین ناشناخته فیزیک.
هر آزمایش از روش متفاوتی برای اندازه گیری ثابت گرانشی استفاده می کند. برخی از محققان از مقیاس های پیچشی استفاده می کنند. ابزار بسیار حساسی که با اندازه گیری پیچش یک نخ نازک می توانند نیروهای بسیار کوچک را تشخیص دهند. گروه های دیگر از آونگ، اجسام در حال سقوط آزاد یا دیگر روش های جدید استفاده می کنند. هر یک از این روش ها منابع خطای خاص خود را دارند و تعیین اینکه چه مقدار از سیگنال ثبت شده واقعاً ناشی از گرانش است، آسان نیست.
به گفته Rotleitner، چنین آزمایش هایی نیاز به تخصص در زمینه های مختلف فیزیک، مهندسی، ابزار دقیق، علم مواد و روش های اندازه گیری پیشرفته دارد. هیچ محققی نمی تواند در همه این زمینه ها متخصص باشد و همین موضوع احتمال خطاهای ناخواسته را افزایش می دهد.
اما طبق نظر شلمینگر، محتمل ترین توضیح ممکن است مربوط به عامل انسانی باشد. چیزی که او آن را بخش «روانی» داستان می نامد. او توضیح میدهد که محققان معمولاً سعی میکنند حاشیه خطای اندازهگیریهای خود را تا حد امکان کم کنند، زیرا نتایج دقیقتر توجه بیشتری را به خود جلب میکند و اعتبار علمی بیشتری دارد.
با این حال، برای دانشمندانی مانند شلمینگر، هنوز هم جذاب و هیجان انگیز است. او معتقد است که بسیاری از مردم فکر می کنند که علم تقریباً همه چیز را کشف کرده است، اما واقعیت این است که هنوز بسیاری از سؤالات حل نشده وجود دارد. این سوالات ممکن است در مقایسه با اسرار بزرگ جهان کوچک به نظر برسند، اما همچنان چالشهایی واقعی هستند که میتوانند به اکتشافات جدید منجر شوند.
ثابت گرانش به عنوان یکی از قدیمیترین و در عین حال سرسختترین پازلهای اندازهگیری در فیزیک مدرن، یادآور این واقعیت است که حتی در مورد نیرویی که لحظه به لحظه تجربه میکنیم، چیزهایی وجود دارد که به طور کامل نمیفهمیم.
