22021Nis

Fizikçiler Kütleçekimini Şimdiye Kadarki En Küçük Ölçekte Ölçtüler!

Konu: Fizik

Okuma Süresi: ~7 dk.

Fizikçiler Kütleçekimini Şimdiye Kadarki En Küçük Ölçekte Ölçtüler!

Şekil 1. Yatay bir cam çubuk ucuna tutturulan altın küre, komşu bir kürenin kütleçekimi kuvvetine tepki verir (sağda). Ölçüm, kütleçekiminin çok küçük nesneler için bile beklendiği gibi davrandığını doğruladı. Sağ üst resimde, altın kürelerin boyutu ve bir bozuk paranın boyutu kıyaslanmıştır. Tobias Westphal, University of Vienna

Ufacık nesneler bile kütleçekimi yasasına uyuyor!

Sadece 2 mm çaplı ve yaklaşık 90 mg’lık bir kütleye sahip olan altın bir top, kütleçekim etkisi (çoğunlukla yerçekimi diye telaffuz ettiğimiz) ölçülebilen şimdiye kadar ki en küçük nesne oldu. 10 Martta Nature dergisinde yayınlanan makaleye göre, fizikçiler, kütleçekiminin son derece zayıf kütleçekimi alanları için bile beklendiği gibi davrandığını doğruladı. Bilindiği gibi, kütleçekimi doğadaki bilinen dört temel kuvvet arasında en zayıf olanı.  Bulgular, bizi kuantum rejimine girebilecek kadar zayıf olan kütleçekim alanlarını ölçmeye bir adım daha yaklaştırıyor.

Newton’un evrensel çekim yasası, iki kütle arasındaki çekim kuvvetinin kütlelerle doğru orantılı, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olduğunu belirtir. İki nesne arasındaki mesafeyi ikiye katlarsanız, çekim kuvveti dörtte bire düşer.

Kütleçekimi anlayışımızda bir şeylerin eksik olduğunun uzun zamandır farkındayız – karanlık enerjinin evrenin genişlemesini nasıl hızlandırdığını açıklayamıyor ve nesnelerin çok küçük ölçeklerde nasıl davrandığını tanımlayan kuantum mekaniği ile uyuşmuyor. Parçaları bir araya getirmenin bir yolu, küçük nesnelerin kütleçekimi ile nasıl etkileşime girdiğini gözlemlemek olabilir.

Şekil 2. Yalnızca 90 mg ağırlığındaki altın küreler arasındaki kütleçekim etkisini ölçmek için kurulan burulma terazisi düzeneği.

Westphal ve meslektaşlarının deneyi, bizi kütleçekiminin gizemini anlamaya bir adım daha yaklaştırabilir. Viyana merkezli bu fizikçi ekip, ilk kez 1798’de H. Cavendish tarafından dünyanın yoğunluğunu ölçmek (kütleçekim sabiti G’yi ölçen deneye eşdeğer bir deney) için kullandığı bir düzenek olan burulma terazisinin minyatür bir versiyonunu kullanarak, küçük nesneler arasındaki kütleçekimsel etkiyi araştırdılar. Burulma terazisi, orta noktasından bir tel ile asılmış yatay bir çubuktan oluşur ve test kütleleri uçlarına tutturulmuştur. Dünyanın kütleçekim etkisi (ya da yerçekimi) büyük bir sertliğe sahip tel doğrultusunda, yani dikey olarak etkir. Fakat yatay doğrultuda, bu tel kolayca burulabilir (dönebilir) ve yatay çubuğa uygulanan çok zayıf kuvvetler bile çubuğun büyük açılarda dönmesine neden olur. Böylece, yatay düzlemde neredeyse yerçekimsiz bir ortam oluşturulur. Böyle bir düzenek ile yakındaki bir kaynak kütlenin test kütlesine (bkz. Şekil 2) uyguladığı çok küçük kütleçekim kuvvetlerini ölçmek mümkün hale gelir. Tipik bir burulma terazisi deneyinde genellikle birkaç kg kadar ağır kütleler kullanılır. Ancak Westphal ve ekibi ise sadece 90 mg’lık altın kütleler kullandılar ve bu şimdiye kadarki kullanılan en küçük kütle oldu.

Bu deneydeki en büyük zorluk ise kaynak ve test kütleleri birbirlerine çok yaklaştırıldığında, böyle küçük bir kütleçekimi etkisini ölçebilmek için çevresel etkilerden (kütleçekimi kuvvetlerinden çok daha güçlü olan elektromanyetik etkileşimler gibi) nasıl yalıtılabileceği idi. Dolayısıyla, deneylerin olağanüstü düzeyde hassas olması gerekiyordu. Araştırmacılar, altın küreler arasında bir Faraday kafesi (bkz. Şekil 2) kullanarak düzeneği elektromanyetik kuvvetlerden yalıtırken, deneyi, gece yarısında ve yılın sismik olarak en az aktif zamanında (Noel civarında) bir vakum ortamında (öyle ki birbirleriyle çarpışan gaz molekülleri bile deneyin sonuçlarını etkilemesin istediler) gerçekleştirdiler.

Araştırmacılar, kaynak kütleyi tekrar tekrar yakınlaştırıp uzaklaştırırken, test kütlesinin hareketlerini ölçtüler. Sonuçlar, çoğu günlük koşullarda eşdeğer olan iki  kütleçekim kuramı olan Newton yasasının ve Einstein’ın genel görelilik kuramının tahminleriyle eşleşti. Sarkacın ne kadar hareket ettiğini ölçmek, ilk altın kürenin kütleçekimi alanını hesaplamalarına izin verdi ve bu şimdiye kadar kütleçekimi ölçülen en küçük kütleli nesne oldu.

Aspelmeyer, “deney düzeneğinin ne kadar hassas olduğunu, laboratuvarın 2 km dışında sona eren Viyana maratonunda birinciyi bile tespit ettik” diyerek açıklıyor. Çalışmanın sonraki hedefi ise daha da hassas deney düzenekleri kurmak; halihazırda üzerinde çalıştıkları kürelerin ve sarkacın havaya uçtuğu önerilen bir deneysel düzenek.

Aspelmeyer, “Yerçekimini çok küçük ölçeklerde ve çok küçük kütlelerle test eden deneyler yaptığınızda, teorik olarak hem karanlık enerjiyi hem de kuantum kütleçekim etkileri gözlemlenebilir” diyor. “Bu deney bir kapı açıcıdır.” Bir gün, kütleçekimi ile kuantum dünyasını birleştirme girişiminde bulunan bir kuantum sisteminde işleyen  kütleçekim kuvvetlerini doğrudan ölçmek neden mümkün olmasın.

Sonuç olarak, araştırmacılar kütleçekiminin çok daha küçük ölçeklerde nasıl davrandığını test etmek istiyorlar – aynı anda birden fazla yerde var olmak gibi kuantum becerilerini gerçekleştirebilecek kadar küçük nesneler için. Altın küreler kuantum kurallarına uymak için çok büyük, ancak deney bilim insanlarını kütleçekiminin kuantum boyutunu keşfetmeye küçük bir adımla daha yaklaştırıyor.

17.03.2021

Derleyen; Dr. Mehmet ÖZDOĞAN, Fizikçi

Kaynaklar;