Egy lezárt boríték mutatta meg, miért vitatkozik még mindig a fizika a gravitációról

Egy titkos szám tíz éven át lezárt borítékban várt arra, hogy eldöntse, mit is mértek valójában a kutatók. Stephan Schlamminger, az amerikai Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet, a NIST fizikusa azért kérte ezt a szokatlan megoldást, hogy saját várakozásai se terelhessék észrevétlenül az eredmény felé az elemzést.

A boríték felnyitása végül nem megnyugtató lezárást hozott. A tízéves kísérletből kapott érték nem egyezett a francia Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatal, a BIPM 2007-es, hasonló módszerrel végzett mérésével. A különbség hétköznapi szemmel parányi, az alapfizikában azonban túl nagy ahhoz, hogy egyszerűen félretegyék.

Az univerzum egyik legismerősebb ereje meglepően nehezen mérhető

A nagy G-nek nevezett univerzális gravitációs állandó azt fejezi ki, milyen erősen vonzza egymást bármely két tömeggel rendelkező test. Ennek szerepe van a bolygók mozgásától a galaxisok szerveződéséig. Mégis: több mint 225 évnyi mérés után ezt az állandót kevésbé pontosan ismerjük, mint a természet más alapvető kölcsönhatásaihoz kapcsolódó hasonló állandókat.

Az ok nem különösebben látványos, inkább bosszantó: a gravitáció nagyon gyenge. Egy gombostűfejnyi mágnes képes felemelni egy gemkapcsot a teljes Föld gravitációs vonzásával szemben. A laborban pedig nem lehet bolygókat ide-oda mozgatni, ezért a kutatóknak gondosan elhelyezett, mérhető kis tömegek között fellépő rendkívül halvány vonzást kell észlelniük.

Ezek a kísérleti tömegek nagyjából 500 milliárd billiószor kisebbek a Földnél. Nem meglepő, hogy a legkisebb hőmérséklet- vagy légnyomásváltozás is számíthat, amikor ennyire finom hatást próbálnak mérni.

Miért kellett elrejteni az adat egy részét?

Schlamminger és csapata a BIPM korábbi eljárását akarta függetlenül megismételni a marylandi Gaithersburgben működő NIST-nél. A cél egyszerű volt: ha lényegében azonos megközelítéssel ugyanaz az érték jön ki, az közelebb vihet a vitás gravitációs állandó tisztázásához.

A fizikus azonban arra is ügyelt, hogy ő maga ne befolyásolja akaratlanul a munkát. Ha valaki sejti, milyen eredményre számít, az az adatok feldolgozásakor – akár teljesen öntudatlanul – hatással lehet a döntéseire. Ezt hívják vak elrendezésnek: az elemző nem ismeri a kulcsfontosságú végső információt, amíg a módszertani munka le nem zárul.

Patrick Abbott ezért egy titkos számot levont a kísérletben használt tömegek egy részének pontosan mért értékéből. A helyesbítés csak nála volt meg, majd borítékba került. Schlamminger így anélkül dolgozhatta fel az adatokat, hogy tudta volna, milyen nagy G-értékhez jut a csapat.

2022-ben majdnem felnyitotta a borítékot, de az utolsó pillanatban észrevette, hogy a légnyomás egy finom hatását még nem vették teljesen számításba. Folytatták az elemzést. A titkos korrekciót végül 2024. július 11-én, egy coloradói szakmai konferencián fedte fel előadás közben.

Egy hajszálvékony szalagon fordul el a mérleg

A mérés alapelve több mint két évszázados. Henry Cavendish 1798-ban két kisebb ólomgolyót függesztett egy vékony szálra erősített vízszintes rúd két végére, majd nehezebb tömegeket vitt közel hozzájuk. A vonzás alig észrevehetően elfordította a rudat, a felfüggesztő szál pedig megcsavarodott.

A mai berendezés sokkal kifinomultabb, de ugyanerre az elvre épül. A BIPM és a NIST nyolc hengeres fémtömeget alkalmazott: négy nagyobb henger egy forgó szerkezeten helyezkedett el, négy kisebb pedig belül, egy emberi hajszál vastagságához hasonló réz-berillium szalagra függesztett tárcsán. A gravitáció elfordította ezt a torziós ingát. A torzió itt egyszerűen csavaró hatást jelent, olyasmit, mint amikor elfordítunk egy villáskulcsot.

A kutatók elektromos úton is ellenőrizték a hatást. Feszültséget adtak a belső tömegek mellé helyezett elektródákra, míg az így létrejövő elektrosztatikus erő pontosan ki nem egyenlítette a gravitáció forgató hatását. A szükséges feszültség különösen pontosan mérhető, ezért ez egy második út volt a nagy G kiszámításához.

A NIST csapata réz, majd zafír tömegekkel is megismételte a mérést. Lényegében azonos eredményt kaptak, így a tömegek anyaga kevésbé valószínű magyarázat a különbségre.

A parányi eltérés, amely nem hagyja nyugodni a kutatókat

A NIST által közölt érték 6,67387 × 10-11 köbméter kilogrammonként és másodpercnégyzetenként. Ez 0,0235 százalékkal alacsonyabb a francia kísérlet eredményénél. Fürdőszobai mérlegen ez nem látszana, és egy 16 unciás mogyoróvaj-adag kimérését sem befolyásolná.

A két mérés eltérése azonban körülbelül egy a tízezerhez, ami nagyobb annál, mint amit a kutatók a szokásos mérési bizonytalanságból várnának. A legvalószínűbb magyarázat továbbra is valamelyik fel nem ismert kísérleti hatás. Az, hogy a gravitációról hiányzik valamilyen alapvető ismeretünk, sokkal izgalmasabb, de a forrás szerint kevésbé valószínű lehetőség.

A lezárt boríték története ezért nem egy rejtélyes leleplezésről szól, hanem a pontos mérés fegyelméről. Egyetlen szám, amelyet a világban mindenütt azonosnak gondolunk, még mindig annyira nehezen fogható meg, hogy két gondosan végzett kísérlet sem jut pontosan ugyanoda. Ez teszi a nagy G-t az egyik legmakacsabb és legérdekesebb számmá a fizikában.