اندازه گيري ثابت گرانش بزرگ
در سال ۱۶۶۵ آيزاک نيوتن متوجه شد که همه‌ي مواد همديگر را به سمت هم مي‌کشند، ولي در آن زمان متوحه شده بود که اين مقدار کشش گرانشي بسيار کوچک است. نيوتن نظريه خودش را با گرانش اجرام بزرگي چون سيارات و خورشيد به آزمون مي‌گذاشت.
| به سال ۱۷۹۷ هنري کاونديش در حين محاسبه‌ي نيروي گرانشي کوچک موفق به اندازه گيري اين نيرو بين دو جرم فلزي آزمايشگاهي شد. او کره ها را به انتهاي دو سر يک ميله بسته و با سيمي آويزان کرد. سپس دو کره‌ي بزرگتر آورد و و نزديک دو کره ديگر قرار داد که با سيم به ميله وصل بودند. نيروهاي بين کره کوچک و بزرگ از مرتبه‌ي ميلياردُم وزنشان بود. شمايه اين آزمايش رادر دو تصوير زير مي‌بينيد. از ميزان انحراف سيم و ويژيگي‌هاي فيزيکي سيم و کره‌هاي معلق، کاونديش اين نيروي کوچک را اندازه گرفت و با پيش بيني نظري نيوتُن همخواني داشت. |
 |
 |
بستگي به جرم و فاصله
نيتون کشف کرد که همه‌ي مواد در عالم همديگر را جذب مي‌کنند و اين نيروي با عکس مجذور فاصله کاهش مي‌يابد. اگر فاصله را دو برابر کنيد، نيروي وارد برآن دو از طرف همديگر يک چهارم مي‌شود. نيرو متناظر با جرم هرکدام است. دو برابر جرم يک جسم و در نتيجه نيرو دو برابر مي‌شود.
معادله مي‌سازيم
پس براي نيروي F بين دو جسم ۱ و ۲ داريم:
F ≈ M1M2/R2
در رابطه ي بالا M1 و M2 جرم‌ها هستند و R فاصله‌ي بين ايندو.
|
براي درست کردن معادله بين اين پارامترها، بايد يک ثابت داشته باشيم تا تناسب را تساوي تبديل کنيم. G! و اينهم معادله‌ي معروف نيوتُن:
F = GM1M2/R2
توجه کنيد که R وقتي بزرگ مي‌شود، مقدار نيرو کم مي‌شود.
چرا G مهم است؟
اگر G آزمايشگاهي را بدانيم، مي‌توانيم جرم زمين و شعاع آن را با استفاده از ماه و طول يک ماه بدست آوريم. حتي از طريق شتاب گرانشي سطحي زمين هم اين کار امکان پذير است. مي‌توانيم جرم خورشيد را با استفاده از مدار زمين در طول يکسال بدست آوريم.
علم همچنان پيش مي‌رود؟
ما اندازه‌گيري‌هايي انجام مي‌دهيم که دقيق‌تر و دقيق‌تر باشيم. اين کاري ست که فيزيکدانان انجام مي‌دهند و از فناوري‌هاي روز استفاده مي‌کنند. با اين حال براي G به دقت خاصي نياز داريم. در سال ۱۹۸۷ مقدار G اندازه گيري دوباره اي شد وبا دقت ۰.۰۱۳ حساب شد. دو تيم پژوهشي اندازه‌گيري‌هايي انجام دادند که دقت آن يک دهم درصد بود و مقداري که آن‌ها بدست آورده بودند پذيرفته شد. منتهي روشي ديگر مورد استفاده قرار گرفته بود. در نتيجه عدم قطعيت قابل قبول آن‌ها به بيش از ضريب ۱۰ رسيد. اين وضعيت بد را گروه‌هاي ديگر هم تجربه کرده بودند. يکي از آن تيم‌ها دانشگاه واشنگتن بود که دقت را را عدم قطعيت ۰.۰۰۱۵ درصد اعلام کرد، که ده برابر دقيق‌تر از مقدار ۱۹۸۷ بود.
اندازه‌گيري G
خبر بزرگ آوريل سال ۲۰۰۰ از يک همايش علمي، اندازه‌گيري دقيق‌تر قابل گرانش بود که بين فيزيکدانان به «G بزرگ» معروف است. اين اندازه گيري را جِنز گاندلاخ از دانشگاه واشنگتن انجام داده بود. اگرچه G اهميت بنيادي در فيزيک و اخترشناسي دارد و براي اولين بار توسط نيوتن در قرن ۱۷ معرفي شد، ولي براي اندازه‌گيري بسيار مشکل است. دليل اصلي آن ضعيف بودن آن در ابعادي است که مورد آزمايش قرار مي‌گيرد.
استيو مرکوويچ (چپ) و جنز گاندلاخ از دانشگاه واشنگتن با دستگاه کاونديش امروزي که طراحي کرده‌اند. (عکس از ماري لوين، دانشگاه واشنگتن)
گروه دانشگاه واشنگتن عدم قطعيت را به حدود تقريبي ۰.۰۰۱۴ درصد رساند. به عبارتي G=6.67390X10-11 m3/kg/s2 با عدم قطعيت مذکور بدست آمد. با ترکيب مقدار جديد با اندازه‌گيري‌هاي قبلي از ماهواره‌ي لاگئوس (ردياب ليزري که دقت آن در حد ميليمتر است) دقيق‌ترين مقدار جرم زمين بدست آمد!
در نتيجه جرم خورشيد مي‌شود:
آزمايش گاندلاخ، تفاوت زيادي با آزمايش کاونديش در ۲۰۰ سال ندارد؛ منتهي در آزمايش جديد عدم قطعيت به صورت چشمگيري کاهش يافته در نتيجه بازدهي اين مکانيسم بالا رفته و چرخش محوري پاندول به کمينه حالت خودش نسبت به قبل رسيده است. تيم ديگري از دانشگاه واشنگتن از روش مقياس زيرميليمتري براي اولين بار استفاده کردند. تخمين گرانش با توجه ضعيف بودنش در ابعاد کوچک و حتي زميني (اگر منظورمان از زميني همان ماکروسکوپي باشد) بسيار مشکل است. ميدان‌هاي مغناطيسي، الکتريکي و بقيه نيروها، بسيار قوي تر از گرانش هستند. اريک آدلبرگر و همکارانش در دانشگاه واشنگتن تصميم گرفتند گرانش را در فواصل حدود ۱۵۰ ميکروني اندازه بگيرند. براي اينکار از پاندول ديسکي استفاده کردند که با ديسک ديگري با ظرافت خاصي معلق مانده بود. صفحات مسي بودند و کشش بين آن‌ها نيروهاي منفرد الکتريکي را نشان مي‌داد.
گرانش در فواصل کوچک در واقع موضوعي است که فيزيکدانان در گرانش کوانتمي مورد بحث قرار مي‌دهند. نيما ارکاني حامد مي‌گويد: از جايي که گرانش بسيار ضعيف است، بايد در ابعاد اضافه خودش را نشان دهد. به عبارت ديگر ذرات معمولي سايه‌اي از ابعاد اضافه هستند که در فضا-زمان تصوير شده‌اند. نظريه پردازان ابعاد اضافه و ريسمان، به اين غشاها، Brane مي‌گويند. در اين حالت ذرات حامل انرژي گرانش، گراويتون، هم مي‌تواند وجود داشته باشد. گراويتون ذره‌اي پيش بيني شده از گرانش در ذرات بنيادي است که مورد توافق همه‌ي فيزيکدانان نيست، ولي به صورت عام پذيرفته شده ولي هيچ نشان و گواهي بر وجودش تاکنون نبوده.
پاندول آزمايش دانشگاه واشنگتن کاونديش که مورد استفاده آزمايش‌هاي اخير قرار گرفته