Ο νόμος του Newton και το κυνήγι των νέων διαστάσεων

Από σελίδα του Physical Review Letters (PRL) 19-Φεβρουαρίου-2001

Μπορεί να σκέπτεστε ότι ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα, είναι περίπου τόσο στέρεος όσο οποιαδήποτε αρχή στη Φυσική. Αλλά εάν μερικές από τις πιό πρόσφατες μεγάλες θεωρίες της ενοποίησης είναι σωστές, η βαρύτητα μπορεί να μην λειτουργεί ακριβώς με τον τρόπο που αναμένουμε. Στις 19 Φεβρουαρίου το PRL εκθέτει πειράματα που δοκιμάζουν το νόμο του Νεύτωνα για αποστάσεις κάτω από 200 µm, με τουλάχιστον δέκα φορές την ευαισθησία των προηγούμενων δοκιμών. Η Νευτώνεια βαρύτητα παραμένει στη διακριτικότητα μέχρι τώρα, την οποία αφαιρούν όμως μερικές θεωρίες, προτείνοντας πρόσθετες χωρικές διαστάσεις, πέρα από τις τρεις που ξέρουμε. Αλλά οι πρόσθετες διαστάσεις μπορούν ακόμα να υπάρξουν, "τυλιγμένες" σε μικρότερες διαστάσεις.

Ενώ οι θεωρίες χορδής υπόσχονται να ενοποιήσουν τους τέσσερις γνωστούς τύπους δυνάμεων σε ένα πλαίσιο, απαιτούν επίσης τουλάχιστον έξι πρόσθετες χωρικές διαστάσεις. Αυτές οι διαστάσεις θεωρούνται τυλιγμένες με έναν τρόπο που τις καθιστά κανονικά αόρατες -- όπως το πλάτος ενός απόμακρου τηλεφωνικού σύρματος στον ορίζοντα, που εσείς δεν μπορείτε να το δείτε έως ότου έλθετε κοντά του. Οι πρόσθετες διαστάσεις μπορούν να λύσουν άλλα προβλήματα επίσης, λέει ο Jens Gundlach του Πανεπιστημίου του Washington στο Seattle, όπως η εκπληκτική μικρή ισχύς της βαρύτητας έναντι του ηλεκτρομαγνητισμού και των πυρηνικών δυνάμεων. Σύμφωνα με αυτήν την άποψη, τα φαινόμενα της βαρύτητας διαδίδονται σε άλλες διαστάσεις, ενώ οι άλλες δυνάμεις περιορίζονται στον τρισδιάστατο κόσμο μας. "Η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής επειδή είναι διαλυμένη," λέει αυτός.

Οι θεωρητικοί πρόβλεψαν ότι μερικές από τις πρόσθετες διαστάσεις μπορούν να επεκταθούν μέχρι ένα χιλιοστόμετρο ή τόσο περίπου, καθιστώντας τα έτσι προσιτά στα πειράματα: Με δύο "μεγάλες" πρόσθετες διαστάσεις, ο νόμος της βαρύτητας (που είναι νόμος του αντιστρόφου του τετραγώνου της απόστασης 1/r ²) θα έμοιαζε περισσότερο σαν νόμος του 1/r ⁴ σε μικρές περιοχές. Τώρα μια ομάδα σε ένα Πανεπιστήμιο της του Ουάσιγκτον που καθοδηγείται από τον Eric Adelberger και τον Blayne Heckel, και που συμπεριλαμβάνεται και ο Gundlach, εκθέτει τις πρώτες και πιό ευαίσθητες δοκιμές βαρύτητας στενών (μικρών) περιοχών, με μιας νέας γενεάς όργανα ακρίβειας, οι οποίες ψάχνουν για τις πρόσθετες διαστάσεις.

Μέσα σε ένα χώρο υψηλού κενού, η ομάδα ανήρτησε ένα μικρό μεταλλικό δαχτυλίδι από ένα συστρεμμένο  εκκρεμές και τοποθέτησε έναν αργά περιστρεφόμενο δίσκο κάτω από αυτό. Το δαχτυλίδι και ο δίσκος τρυπήθηκαν με δέκα τρύπες ο κάθε ένας, και η βαρύτητα έτεινε να ευθυγραμμίσει τις τρύπες δέκα φορές ανά περιστροφή. Ένας δεύτερος δίσκος που περιστρέφεται ακριβώς κάτω από τον πρώτο είχε επίσης δέκα τρύπες, αλλά σε θέσεις που σχεδιάστηκαν με σκοπό να ακυρώσουν μερικώς την έλξη του ανώτερου δίσκου στο δαχτυλίδι. Ένας καθρέφτης που επισυνάπτεται στο εκκρεμές ανάκλασε μια ακτίνα λέιζερ και επέτρεψε στον Adelberger και τους συναδέλφους του να ανιχνεύσουν τις μικρές περιστροφές του δαχτυλιδιού. Ο   Gundlach εξηγεί ότι το πείραμα ήταν δύσκολο εν μέρει, επειδή τα ηλεκτροστατικά πεδία -- στατικός ηλεκτρισμός -- θα μπορούσαν εύκολα να υπερισχύσουν της αδύναμης βαρυτικής δύναμης. Η ομάδα άπλωσε προσεκτικά ένα λεπτό φύλλο μετάλλου 20 micrometer, μεταξύ του δαχτυλιδιού και των δίσκων για να τους προφυλάξει από τέτοια φαινόμενα.

Οι ερευνητές κατέγραψαν την περιστροφή του δαχτυλιδιού που ανήρτησαν σε ύψος μεταξύ 200 µm και 5 mm. Στα 2 mm. -- το ύψος όπου μεγιστοποιήθηκε η ακύρωση  -- είδαν την πλήρη διακοπή της κίνησης που ανέμεναν από την Νευτωνική βαρύτητα, και τα στοιχεία τους σε άλλα ύψη ήταν επίσης απολύτως σύμφωνα με τα εγχειρίδια της Φυσικής.

Η ομάδα βγήκε με ένα "λαμπρό σχέδιο" και πραγματοπόηησε ένα "όμορφο πείραμα", λέει ο Aharon Kapitulnik του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ στο Palo Alto, της Καλιφόρνιας. Μια σημαντική πτυχή, εξηγεί αυτός, είναι ότι μέτρησαν μια πλήρη ακύρωση της βαρυτικής δύναμης σε ένα ύψος αλλά θα μπορούσαν έπειτα να μετακινήσουν το δαχτυλίδι επάνω και κάτω από εκείνο το ύψος για να ελέγξουν ότι οι συσκευές τους ανίχνευσαν τη βαρύτητα καθαρή, χωρίς καμιά παρέμβαση υποβάθρου. Ο Kapitulnik δουλεύει σε μια πολύ πιό μικρότερη περιοχή μέτρησης της βαρύτητας και λέει ότι ποτέ δεν αποθαρρύνθηκε από τα αποκαλούμενα μηδενικά αποτελέσματα που δεν ανασκευάζουν τον Nεύτωνα. "Είναι σημαντικό να γίνει, και κάποιος πρέπει να το κάνει," λέει.