Mühürlü zarf on yıl sonra açıldı: yerçekiminin sayısı hâlâ oturmadı

Bunun anlamı “Newton yanılıyordu” değil. Anlamı daha rahatsız edici: aynı terazi, aynı geometri, iki ayrı laboratuvar — ve birbirini tutmayan iki sayı. Hikâyenin asıl ilginç yanı da çıkan rakam değil, o rakamın on yıl boyunca kendi sahibinden saklanmış olması.

Newton'ın sabiti neden hâlâ altıncı haneye ulaşamıyor

G, fizikte en uzun süredir ölçülen sabit — ve en kötü bilineni. NIST ekibinin 2024'te ölçüm konferansına sunduğu bildiride anlatıldığına göre sorunun kökü basit: kütle çekimi dört temel kuvvetin en zayıfı. Laboratuvar ölçeğindeki cisimler arasında ölçmeye çalıştıkları burulma torku yalnızca 31 nano-newton-metre; ekip bu minicik torku yüz binde birkaç hassaslıkla okumaya uğraşıyor.

Aynı bildiride, son elli yılda yapılan bir düzineden fazla yüksek duyarlıklı ölçümün dağılımı için çarpıcı bir rakam veriliyor: en küçük ve en büyük değer birbirinden bağıl olarak 1,4 × 10⁻⁴ ayrı düşüyor — bu da en iyi deneyin belirsizliğinin yüz katından fazla. Uluslararası Bilim Konseyi'ne bağlı Temel Fizik Sabitleri Çalışma Grubu'nun önerdiği uzlaşı değerinin bağıl belirsizliği 2,2 × 10⁻⁵ düzeyinde. Fizikteki birçok temel sabit altı ya da daha fazla anlamlı haneye kadar biliniyorken G, virgülden sonra beşinci hanede tökezliyor.

Bu belirsizliğin doğrudan bir bedeli var. Gök cisimlerini teraziye koyamayız; yörüngelerden ölçebildiğimiz şey kütlenin G ile çarpımıdır. Dolayısıyla Güneş'in ya da Dünya'nın kütlesini, G'yi bildiğimizden daha iyi bilemeyiz.

Aynı terazi, başka laboratuvar

NIST'in yaptığı şey yeni bir deney tasarlamak değildi; var olan bir deneyi tekrarlamaktı. Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu'nda (BIPM) yaklaşık otuz yıl önce tasarlanıp yapılan burulma terazisi, NIST'e ödünç verildi. Fikir şuydu: bir ölçüm gerçekten güvenilirse, aletini başka bir binaya taşıyıp başka bir ekibe verdiğinizde aynı sayıyı vermeli.

Düzenek, Henry Cavendish'in 1798'de kullandığı kurulumun modern torunu. Bakır-berilyum bir şeride asılı dört bakır test kütlesi var; dışarıda, bir döner tabla üzerinde dört büyük kaynak kütlesi. Tabla döndürülüp kütleler iki uç konuma getirildiğinde, çekim torku asılı düzeneği hafifçe buruyor. NIST'in bildirdiği ölçüler şöyle:

Bu terazinin en güçlü yanı, tek bir düzenekle iki bağımsız ölçüm yöntemine izin vermesi. Cavendish yönteminde sarkacın salındığı denge konumunun çekim torkuyla ne kadar kaydığına bakılıyor. Servo yönteminde ise sarkaç hiç kımıldamasın diye, çekim torkunu tam olarak dengeleyen bir elektrostatik tork uygulanıyor ve bu torkun büyüklüğü ölçülüyor. İki yöntemin sistematik hataları farklı yerlerden geldiği için birleştirilmiş sonuç, tek başına her ikisinden de duyarlı çıkıyor. Ekip ayrıca kaynak kütlelerini bakırdan safire değiştirdiğinde de neredeyse aynı sonucu elde etti — kütle çekiminin malzemeye bakıp davrandığına dair bir işaret yok.

Yukarıdaki görüntü, NIST'in kendi kanalında yayımladığı ve deney düzeneğini tanıttığı videodan.

Bilim insanı kendi sonucunu neden kendinden saklar?

Kör analiz denen yöntemin mantığını anlamak için bir mutfak terazisi düşünün. Terazi kusursuz çalışıyor, ama göstergesine, ne kadar olduğunu bilmediğiniz sabit bir sayı eklenmiş. Aynı çuvalı on kez tarttığınızda hep aynı değeri görürsünüz; ölçümünüzün kararlı olup olmadığını rahatça denetleyebilirsiniz. Göremediğiniz tek şey, sonucun doğru olup olmadığıdır. İşte Schlamminger on yıl boyunca böyle bir teraziyle çalıştı: Abbott'ın kütle değerlerinden çıkardığı gizli miktar, hesaplanan her G değerini bilinmeyen bir kadar kaydırıyordu.

Burada engellenmek istenen önyargı, “sonucu bilerek yanlış hesaplamak” değil. Çok daha sinsi bir şey: ne zaman durulacağı. Bir araştırmacı beklediği sayıyı gördüğünde hata aramayı bırakma eğilimindedir; beklemediği sayıyı gördüğünde ise haftalarca sistematik hata avına çıkar. Bu asimetri, kimsenin sahtekârlık yapmasına gerek kalmadan sonuçları sessizce “herkesin bildiği değere” doğru sürükler. Zarf, tam olarak bu düğmeyi devre dışı bırakır: doğru cevabı bilmediğiniz için, hata aramayı ne zaman kesmeniz gerektiğini de bilemezsiniz.

Yöntemin işe yaradığının en somut kanıtı, deneyin ortasında yaşandı. The Debrief'in aktardığına göre Schlamminger 2022'de zarfı açmaya çok yaklaştı; tam o sırada hesaba katmadığı bir etken fark etti ve durdu. Ekibin 2024'teki konferans bildirisinde anlattığına göre 2023'te bulduğu şey şuydu: vakum odasında kalan artık gazın sıcaklık farklarından doğan, daha önce kimsenin tanımlamadığı sahte bir tork. Ekip ısıl ortamı düzeltip verileri yeniden topladı. Eğer sonucu baştan bilseydi ve sayı hoşuna gitseydi, o torku aramak için hiçbir nedeni olmayacaktı.

Zarftan çıkan sayı ve geriye kalan fark

Zarfın içinde, The Debrief'in aktardığına göre büyük bir negatif sayı vardı — kabaca, ham sonucu BIPM'in değerine yaklaştıracak büyüklükte. Ama tamamen kapatacak kadar değil. Düzeltme uygulandıktan sonra bile NIST'in değeri, yinelemeye çalıştığı ölçümün belirgin biçimde altında kaldı.

Tablodaki BIPM ve HUST satırları G ölçümleri üzerine yayımlanmış derleme makalelerden, CODATA satırı NIST'in temel sabitler veritabanından, son satır ise Metrologia makalesinden alındı. Tablodaki manzara, sorunun neden bir türlü kapanmadığını tek bakışta anlatıyor: Çin'deki Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nin 2018'de aynı laboratuvarda iki ayrı yöntemle elde ettiği iki değer bile, kendi belirsizlik paylarının birkaç katı kadar birbirinden ayrı.

Schlamminger, The Debrief'e sonucu şöyle özetledi: “Göründüğü kadarıyla NIST'teki yeni ölçümle BIPM'deki önceki ölçüm birbiriyle uyuşmuyor. Bu da bize deneyin yinelenebilirliği konusunda bir fikir veriyor.” NIST'in duyurusunda ise şu cümlesi yer alıyor: “Her ölçüm önemlidir, çünkü gerçek önemlidir.”

Bu sonuç ne söylemiyor

Sınırları net koymak gerekiyor. NIST'in değerinin belirsizliği 57 ppm; yani tablodaki en duyarlı ölçümlerin yaklaşık beş katı. Bu, dağılımı kapatan bir ölçüm değil, dağılıma eklenen yeni bir veri noktası. Kimse yeni bir fizikten söz etmiyor. Schlamminger'in IEEE Spectrum'a verdiği röportajda söylediği gibi, ölçümler arasındaki uyuşmazlıklar için tek bir neden bulunabilmiş değil ve standart değeri değiştirmeden önce bağımsız bir doğrulama gerekiyor.

Öte yandan çalışmanın ortaya çıkardığı artık gaz-sıcaklık farkı torku, elle tutulur bir şüpheli. Eğer bu etki NIST'in laboratuvarında kimsenin fark etmediği kadar uzun süre saklanabildiyse, benzer düzeneklerle yapılmış eski ölçümlerde de saklanmış olabilir. Bu, sınanabilir bir iddia — ve muhtemelen bundan sonraki işin büyük bölümünü oluşturacak.

Neden G'nin kaderi diğer sabitlerden farklı

2019'da uluslararası birim sistemi baştan tanımlandığında, kilogram artık Paris'teki bir metal silindire değil Planck sabitine bağlandı; Planck sabitinin sayısal değeri tanım gereği tam olarak sabitlendi. Işık hızı için de durum aynı. G ise bu tanımlayıcı sabitler arasına alınmadı — alınamazdı, çünkü onu yeterince iyi bilmiyoruz. Bugün fizikçiler ışık hızını ölçmüyor, onu kullanıyorlar; G'yi ise hâlâ ölçüyorlar.

Bu tablonun kendine özgü bir ironisi de var: Schlamminger, NIST'te kilogramın yeniden tanımını mümkün kılan Kibble terazisi çalışmalarında yer almış, 2019 revizyonuna katkı vermiş bir fizikçi. Bir sabiti kararla sabitleyen ekibin içindeydi; şimdi sabitlenemeyeni ölçmeye uğraşıyor.

Aynı binanın tarihçesi de bunu hatırlatıyor: NIST'in eski adıyla Ulusal Standartlar Bürosu'nda Paul R. Heyl, 1930-1942 arasında kuvars telli bir burulma terazisiyle tam olarak aynı işi yapıyordu.

Zarf açıldı, dağılım kapanmadı. Sırada, aynı deneyin bambaşka bir aletle bir kez daha yapılması var; bir de NIST'in bulduğu sahte torkun eski ölçümlerde iz bırakıp bırakmadığının araştırılması. Bu arada makalenin en kalıcı katkısı, içindeki sayı olmayabilir. Zarfın kendisi olabilir: bir hassas ölçümdeki en büyük belirsizlik kaynağının, ölçümü yapan kişi olduğunun açıkça kabul edilmesi.

Fotoğraf: National Institute of Standards and Technology, Public domain, Wikimedia Commons