ניסוי שנמשך עשור ב־NIST הניב ערך חדש ל־G שאינו תואם במלואו למדידה צרפתית קודמת, ומדגיש עד כמה קשה למדוד את כוח הכבידה בדיוק
אחד המספרים הבסיסיים ביותר בפיזיקה הוא גם אחד הקשים ביותר למדידה. מדובר בקבוע הכבידה האוניברסלי, המסומן באות G, שקובע את עוצמת כוח הכבידה בין גופים ביקום. למרות חשיבותו העצומה, מדענים עדיין אינם מצליחים להסכים עליו בדיוק גבוה, וגם היום זהו הקבוע הפחות מדויק מבין הקבועים הקשורים לארבעת הכוחות היסודיים בטבע.
אין להתבלבל בין G הגדול לבין g הקטן. בעוד G הוא קבוע אוניברסלי שאמור להיות זהה בכל מקום ביקום, g הקטן מתאר את תאוצת הכובד המקומית. על פני כדור הארץ ערכו בערך 9.8 מטר לשנייה בריבוע, ואילו על הירח הוא רק 1.62 מטר לשנייה בריבוע, משום שמסת הירח קטנה יותר ולכן משיכתו חלשה יותר. G, לעומת זאת, הוא המספר שמאפשר לחשב את כוח הכבידה בין כל שני גופים, מאדם וכוכב לכת ועד שתי משקולות במעבדה.
מחקר חדש של המכון הלאומי לתקנים ולטכנולוגיה של ארצות הברית, NIST, שהתפרסם בכתב העת Metrologia, לא פתר את התעלומה הזאת. להפך: לאחר עשור של מדידות וניתוחים, צוות החוקרים קיבל ערך שאינו תואם במלואו את אחת המדידות המדויקות הקודמות, שנעשתה ב־2007 בלשכה הבין־לאומית למידות ולמשקלות בצרפת, BIPM. הערך החדש שקיבלו החוקרים הוא 6.67387×10⁻¹¹ מטרים מעוקבים לקילוגרם לשנייה בריבוע, והוא נמוך ב־0.0235% מן הערך שנמדד בניסוי הצרפתי.
לכאורה מדובר בהבדל זעיר מאוד, כזה שאינו משפיע על חיי היומיום, על שקילת מזון או על מדידת משקל גוף. אבל במדע, פערים קטנים כאלה עלולים לרמוז על בעיה עמוקה יותר: או שיש בניסויים שגיאות שיטתיות שלא זוהו, או שעדיין לא הובנו עד הסוף כל מקורות האי־ודאות במדידת הכבידה עצמה. החוקרים מציינים כי ההבדלים בין המדידות הם בערך חלק אחד מתוך 10,000 — קטן, אך גדול מכדי לייחס אותו סתם לרעש ניסויי רגיל.
הקושי נובע מכך שכוח הכבידה חלש מאוד בהשוואה לכוחות אחרים בטבע. בכתבה מוסבר, למשל, שמגנט בגודל ראש סיכה יכול להרים מהדק נייר בכוח גדול יותר ממשיכת הכבידה של כדור הארץ על אותו מהדק. לכן, כאשר מנסים למדוד במעבדה את כוח המשיכה בין גופים קטנים יחסית, האות הנמדד חלש להפליא. החוקרים נאלצים לעבוד עם מסות זעירות, קטנות בערך פי 500 מיליארד טריליון מכדור הארץ, ולכן כל הפרעה קטנה עלולה לשבש את התוצאה.
מאזני פיתול
כדי לבדוק אם אפשר לשחזר את המדידה הצרפתית, הפיזיקאי סטפן שלמינגר ועמיתיו ב־NIST בנו מחדש ניסוי מדויק המבוסס על מאזני פיתול — שיטה קלאסית שמקורה עוד בניסוי של הנרי קוונדיש מ־1798. בשיטה הזאת בודקים כיצד סיב דק מאוד מסתובב או מתפתל בתגובה לכוח כבידה זעיר בין מסות. בניסוי המודרני הוצבו שמונה גלילי מתכת: ארבע מסות גדולות על מבנה מסתובב וארבע מסות קטנות יותר על דיסקה פנימית, המחוברת לרצועת נחושת־בריליום דקה מאוד, בערך בעובי של שערת אדם.
הצוות לא הסתפק בשיטה אחת. מעבר למדידת הפיתול שנגרם מכוח הכבידה, החוקרים הפעילו גם כוח אלקטרוסטטי נגדי באמצעות אלקטרודות ומתח חשמלי. כאשר כיוונו את המתח כך שהמערכת חדלה להסתובב, הם יכלו לחשב את G גם מתוך האיזון החשמלי. בנוסף, הם חזרו על המדידות עם מסות עשויות נחושת ועם מסות עשויות ספיר, כדי לבדוק אם הרכב החומר משפיע על התוצאה. לפי הדיווח, שתי סדרות המדידה נתנו תוצאות כמעט זהות.
אחת הנקודות המעניינות במחקר היא הדרך שבה ניסו החוקרים למנוע הטיה פסיכולוגית. שלמינגר ביקש מעמיתו פטריק אבוט לשנות את הנתונים באמצעות מספר סודי שיופחת מחלק מן המדידות, כך שהוא עצמו לא יידע את התוצאה האמיתית עד לרגע האחרון. רק לאחר שנים של עבודה, כאשר פתח את המעטפה ובה המספר הסודי, יכול היה לחשב את הערך הסופי. ברגע הראשון חש הקלה, אך בהמשך התברר שהמספר גדול מהצפוי, ולכן גם התוצאה הסופית אינה תואמת את זו של הניסוי הצרפתי.
225 שנה ועדיין מפתיע
המחקר החדש אינו מכריע את הוויכוח, אך הוא מוסיף נתון חשוב למאגר המדידות ומחדד את העובדה שגם אחרי יותר מ־225 שנות ניסיונות, קבוע הכבידה עדיין מסרב להיכנע. שלמינגר עצמו מסכם זאת בפשטות: כל מדידה חשובה, משום שהאמת חשובה. לדבריו, מדידה מדויקת היא דרך לעשות סדר ביקום, גם אם המספר המתקבל אינו זה שקיוו לקבל. אחרי עשור של עבודה הוא הודיע שיעביר את השרביט לדור הצעיר של הפיזיקאים, שימשיך להתמודד עם הבעיה.
למאמר המדעי DOI: 10.1088/1681-7575/ae570f
עוד בנושא באתר הידען
