Πείραμα κβαντομηχανικής δοκιμάζει τη βαρύτητα του Νεύτωνα

Μια νέα πειραματική τεχνική που αξιοποιεί τους νόμους της κβαντομηχανικής επέτρεψε σε διεθνή ομάδα ερευνητών να μετρήσει με ακρίβεια τη βαρυτική σταθερά G, γνωστή από το νόμο της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα. Εφόσον βελτιωθεί, η κβαντική μέθοδος θα μπορούσε να δείξει αν η σταθερά G ισχύει όντως παντού και πάντα.

Όπως προκύπτει από το νόμο της παγκόσμιας έλξης που διατύπωσε ο Ισαάκ Νεύτωνας το 1687, κάθε ουράνιο σώμα έλκει οποιοδήποτε άλλο σώμα με μια δύναμη ανάλογη του γινομένου των μαζών τους και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασής τους.

Ο παραπάνω νόμος διαφαίνεται με τη μαθηματική σχέση:



όπου G είναι η βαρυτική σταθερά, περίπου ίση με 6.67×10−11 N·(m/kg)2 .

Παρόλο όμως που το G υποτίθεται ότι έχει συγκεκριμένη, σταθερή τιμή σε όλο το Σύμπαν, και παρουσιάζεται μάλιστα στις εξισώσεις της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, οι πειραματικές μετρήσεις της τιμής του δίνουν ελαφρώς διαφορετικά αποτελέσματα, και μάλιστα τα τελευταία χρόνια οι αποκλίσεις μεγαλώνουν αντί να μικραίνουν.

Στις περισσότερες περιπτώσεις, εξηγεί το Nature.com, οι φυσικοί εφαρμόζουν μια μέθοδο που προτάθηκε στα τέλη του 18ου αιώνα και μετρά τη ροπή που προκαλεί η βαρυτική έλξη σε βαρίδια που κρέμονται από έναν περιστρεφόμενο άξονα.

Η νέα μέθοδος, η οποία παρουσιάζεται στην επιθεώρηση Nature, διαφέρει παρασάγγας, καθώς αξιοποιεί τις κβαντικές ιδιότητες των ατόμων -συγκεκριμένα, την ιδιότητά τους να συμπεριφέρονται ως κύμα.

Χάρη στην προσέγγιση αυτή οι ερευνητές κατάφεραν να μετρήσουν τη βαρυτική έλξη ανάμεσα σε άτομα ρουβιδίου και μια συστοιχία κυλίνδρων από βολφράμιο βάρους 516 κιλών.

Η ομάδα του Γκουγκλιέλμο Τίνο, φυσικού στο Πανεπιστήμιο της Φλορεντίας, χρησιμοποίησε παλμούς ακτινοβολίας λέιζερ για να διαταράξει ένα σύννεφο ανέμων ρουβιδίου παγωμένων κοντά στο απόλυτο μηδέν. Υπό την επίδραση της ακτινοβολίας τα άτομα σηκώθηκαν σε ύψος μερικών δεκάδων εκατοστών και στη συνέχεια ξαναέπεσαν υπό την επίδραση της βαρύτητας.

Η ακτινοβολία λέιζερ χώρισε το κύμα που αντιστοιχούσε σε κάθε άτομο σε μια υπέρθεση δύο ενεργειακών καταστάσεων, οι οποίες αναλογούν σε άτομα που φτάνουν σε διαφορετικά ύψη και επομένως δέχονται ελαφρώς διαφορετικές βαρυτικές δυνάμεις. Μετρώντας τη διαφορά αυτή σε αλλεπάλληλες μετρήσεις, οι ερευνητές μπόρεσαν να υπολογίσουν το G με νέα επίπεδα ακρίβειας.

Η ασιγουριά της μέτρησης είναι 150 μέρη ανά εκατομμύριο, ή 0,015%, παραμένει δηλαδή λίγο μεγαλύτερη από την ασιγουριά των συμβατικών μεθόδων που βασίζονται σε μακροσκοπικά βάρη.

Στο μέλλον όμως η νέα μέθοδος θα μπορούσε να βελτιωθεί και να δώσει απάντηση στις αποκλίσεις που εμφανίζονται στη μέτρηση της τιμής του G.

Ένα ενδεχόμενο είναι να οφείλονται οι αποκλίσεις αυτές σε πειραματικά σφάλματα. Μια άλλη, πιο ενδιαφέρουσα εξήγηση. είναι ότι ο νόμος της παγκόσμιας έλξης δεν εξηγεί τις βαρυτικές επιδράσεις σε μικρούς χώρους όπως ένα εργαστήριο.

Και αυτό θα σήμαινε ότι οι φυσικοί θα αναγκάζονταν να βελτιώσουν το νόμο του Νεύτωνα.