Kütle çekimini genellikle gezegenlerin dönüşü veya bir kara deliğin durdurulamaz çekimi gibi devasa kütleler bağlamında düşünmeye alışkınız.
Ancak kütlesi olan her şey, ne kadar küçük olursa olsun, diğer her şeye karşı bir kütle çekim kuvveti uygular.
Genel göreliliğin zarafetle tanımladığı klasik dinamiklerin, kuantum mekaniğinin muhteşem kaosuyla bir şekilde uyum sağlaması gereken bir sınır bölgesi mevcuttur.
Bu sınıra nasıl ulaşabiliriz? Kütle çekimsel etkileşimleri giderek daha küçük ölçeklerde ölçmeye çalışarak ve bu teknikleri sürekli geliştirerek, bir gün oradaki sırları görmeyi umuyoruz.
Şimdi ise Çin'deki Sun Yat-sen Üniversitesi'nden Shan-Qing Yang liderliğindeki fizikçiler yeni bir dönüm noktasını duyurdu: Şimdiye kadar ölçülmüş en küçük kütle çifti, her biri yalnızca 7.6 miligram ağırlığında olan iki silikon plaka arasındaki kütle çekimi ölçümü.
Yayınlanan bir makalede araştırmacılar, bunun "kütle çekiminin klasik ve kuantum rejimlerini birbirine bağlama yönünde önemli bir adım" olduğunu belirtiyorlar.
Genel görelilik ve kuantum teorisi, evrenin farklı ölçeklerdeki davranışını matematiksel olarak açıklamanın iki farklı yoludur.
Görelilik, kütle çekimini uzay-zamanın esnemesi olarak tanımlarken, kuantum mekaniği madde ve enerjinin davranışını olasılık matematiğiyle açıklar.
Her iki teori de kendi alanlarında olağanüstü başarılıdır, ancak matematiksel çerçeveleri tam olarak uyum sağlamaz ve bu durum fizikçileri, kütle çekiminin kuantum etkilerinin devreye girdiği durumlarda nasıl davrandığına dair eksiksiz bir açıklama olmadan bırakır.
Bu alana bir kapı açmak için fizikçiler son yıllarda, 18. yüzyılda yaşamış İngiliz bilim insanı Henry Cavendish'in ünlü deneyine benzer yöntemlere başvurmuşlardır. Bu deney, Dünya'nın ezici çekiminden nispeten küçük kütleler arasındaki kütle çekimini izole edebiliyordu.
Cavendish deneyi, yatay olarak asılmış bir çubuğun uçlarına bağlı kurşun ağırlıklar ve yakına yerleştirilmiş daha büyük kurşun ağırlıklardan oluşan bir burulma terazisi içeriyordu.
Yakındaki ağırlıklar ile çubuk üzerindeki ağırlıklar arasındaki çekim, çubuğun dönmesine neden olarak, askıya alındığı teli buruyordu ve Cavendish'in telin ne kadar büküldüğüne dayanarak kütle çekimini ölçmesini sağlıyordu.
2021 yılında, fizikçilerden oluşan bir ekip, o zamana kadarki en hafif Cavendish gösterimini – her biri yaklaşık 92 miligram ağırlığında olan iki küçük altın küre arasındaki kütle çekimini ölçen bir deney – tanımlamıştı.
Ve bu ekip, çalışmalarında zarfı daha da zorlama konusunda bir meydan okuma ortaya koymuştu.
Yang ve meslektaşları bu meydan okumayı kabul etmiş görünüyor.
Cavendish deneyinin kendi versiyonları bazı özel yenilikler getiriyordu.
Derin silikon oyma tekniği adı verilen bir yöntemi kullanarak, araştırmacılar minyatür bir burulma terazisi tasarladılar; asılı bir çubuğun ucunda sadece 7.6 miligram ağırlığında küçük bir silikon plaka ve diğer ucunda bir karşı ağırlık bulunuyordu.
Ancak tek bir kütleyi yakına yerleştirip kütle çekimsel bir etki oluşturmak yerine, ekip çevresine 16 adet özdeş silikon plaka yerleştirilmiş dönen bir tekerlek inşa etti.
Tekerlek döndükçe, her plaka sırayla test kütlesinin yakınına yaklaştı ve küçük bir kütle çekimsel çekim uyguladı.
Tekerlek her 10 dakikada bir tam tur atıyordu, bu da her turda 16 kez tekrarlanan bir kütle çekimsel çekim anlamına geliyordu – bu, araştırmacıların arka plan gürültüsünden ayırt edebileceği net, tekrarlayan bir sinyaldi.
Tüm düzenek bir vakum odasına kapatılmıştı ve elektrostatik kuvvetlerin etkisini en aza indirmek için dönen kütleler ile burulma terazisini ayıran ince, altın kaplamalı bir silikon zar kullanıldı.
Ve terazinin serbestçe bükülmesine izin vermek yerine, araştırmacılar kütle çekimsel çekime karşı koymak için gereken kuvveti ölçerek, dengeyi neredeyse mükemmel bir şekilde sabit tutmak için elektronik bir geri bildirim sistemi kullandılar.
Burulma terazisi üzerindeki torku incelediklerinde, Newton'un tahminleriyle tutarlı bir kütle çekimsel çekim buldular – en yakın ayrımda yalnızca 471 attonewton, yani 0.000000000000000471 newton olarak hesaplanan çok küçük bir çekim de dahil.
Karşılaştırma yapmak gerekirse, bu, bir kum tanesinin Dünya yüzeyine tutunmasını sağlayan kütle çekim kuvvetinden yaklaşık 20 milyar kat daha zayıftır.
Araştırmacılar, bu neredeyse astronomik derecede küçük ölçeklerde bile, Newton'un evrensel kütle çekim yasasının hala geçerli olduğunu buldular.
Ölçümlerinden yola çıkarak, uluslararası düzeyde önerilen değerle tutarlı bir sonuç ve yüzde 5.3'lük bir belirsizlikle, kütle çekim sabiti (G) değerini bile hesaplayabildiler.
Açıkça belirtmek gerekirse, bu hala kuantum kütle çekimine yakın değil. Ancak olduğumuz yerden önemli ölçüde daha yakınız.
Daha da yaklaşmak için fizikçiler, Yang'ın burulma terazilerinden ışık veya manyetik alanlar kullanarak küçük nesneleri askıya alan sistemlere kadar, kütle çekimini giderek daha küçük ölçeklerde ölçmek için çeşitli teknikler geliştiriyorlar.
Her yaklaşımın kendine özgü zorlukları var, özellikle de paraziti ortadan kaldırma ve incelenen nesnelerin hassas kuantum durumlarını koruma ihtiyacı.
Nihayetinde, kütle çekiminin kendisinin kuantum özelliklere sahip olup olmadığını görmek için, kuantum mekaniği tarafından yönetilen nesneler arasındaki kütle çekimini ölçmek hedefleniyor.
Birlikte ele alındığında, bu farklı yaklaşımlar böyle bir ölçümün ulaşılabilir olabileceğine dair umut sunuyor.
Yang ve meslektaşları, "Farklı ancak giderek artan ölçüde örtüşen kütle rejimlerinde çalışan bu yaklaşımların sürekli gelişimi, kuantum durumundaki nesneler arasındaki kütle çekimsel etkileşimlerin öngörülebilir gelecekte gözlemlenebileceğine dair umut vaat ediyor" diyor.
Kaynakça: sciencealert.com
