September 26, 2022

Gravitasi ada di mana-mana. Ini adalah kekuatan yang menjangkar Bumi dalam orbitnya mengelilingi matahari, menghentikan pertumbuhan pohon selamanya, dan menyimpan sereal sarapan kita di mangkuknya. Ini juga merupakan komponen penting dalam pemahaman kita tentang alam semesta.

Tapi seberapa kuat gaya gravitasi? Kita tahu bahwa gravitasi bertindak sama apakah suatu benda seringan bulu atau seberat batu, tetapi sebaliknya, para ilmuwan tidak memiliki jawaban yang tepat untuk pertanyaan itu, meskipun mempelajari gravitasi di kosmos selama berabad-abad.

Menurut hukum gravitasi universal Isaac Newton, gaya gravitasi yang menarik dua benda (atau partikel) bersama-sama semakin kuat semakin besar massa benda-benda itu dan semakin dekat mereka satu sama lain. Misalnya, gravitasi antara dua bulu yang terpisah lima inci lebih lemah daripada dua apel yang jaraknya sama satu sama lain. Namun, perhitungan gaya yang tepat bergantung pada variabel universal yang disebut konstanta gravitasi, yang diwakili oleh huruf kapital “G” dalam persamaan.

[Related: The standard model of particle physics might be broken]

Fisikawan tidak tahu persis nilai apa yang harus diberikan pada “G”. Tetapi pendekatan baru dari Swiss mungkin membawa wawasan baru tentang cara menguji gravitasi dengan lebih baik.

“Konstanta fundamental ini, pada dasarnya dimasukkan ke dalam struktur alam semesta,” kata Stephan Schlamminger, fisikawan di Laboratorium Pengukuran Fisik di Institut Nasional Standar dan Teknologi. “Manusia dapat melakukan eksperimen untuk mengetahui nilainya, tetapi kita tidak akan pernah tahu nilai sebenarnya. Kita bisa semakin dekat dengan kebenaran, eksperimen bisa menjadi lebih baik dan lebih baik, dan pada akhirnya kita mendekati nilai sebenarnya.”

Mengapa “G” begitu sulit diukur?

Tidak seperti menghitung, pengukuran pada dasarnya tidak tepat, kata Schlamminger, yang menjabat sebagai ketua Kelompok Kerja pada Konstanta Gravitasi Newtonian dari Persatuan Internasional Fisika Murni dan Terapan.

See also  Mengapa NASA akan mengirim dua helikopter lagi ke Mars

“Jika Anda mengambil pita pengukur dan mengukur panjang meja, katakanlah meja itu berada di antara dua tanda centang. Sekarang Anda harus menggunakan mata Anda dan mencari tahu di mana [the number] adalah,” katanya. “Mungkin Anda bisa menggunakan mikroskop atau semacamnya, dan semakin maju teknik pengukurannya, semakin kecil dan semakin kecil ketidakpastian Anda. Tapi selalu ada ketidakpastian.”

Ini tantangan yang sama dengan konstanta gravitasi, kata Schlamminger, karena para peneliti akan selalu mengukur gaya antara dua objek dalam beberapa bentuk kenaikan, yang mengharuskan mereka memasukkan beberapa ketidakpastian dalam hasil mereka.

Selain itu, gaya gravitasi yang dapat diuji antar objek di laboratorium akan selalu dibatasi oleh ukuran fasilitas. Sehingga semakin sulit untuk mengukur keragaman massa dengan alat yang canggih.

Akhirnya, selalu ada gangguan dalam pembacaan, kata Jürg Dual, seorang profesor mekanika dan dinamika eksperimental di ETH Zurich, yang telah melakukan eksperimen baru untuk menentukan kembali konstanta gravitasi. Itu karena objek apa pun dengan massa akan mengerahkan tarikan gravitasi pada segala sesuatu yang lain dengan massa di sekitarnya, jadi peneliti harus dapat menghilangkan pengaruh eksternal gravitasi bumi, mereka sendiri, dan semua kehadiran lain yang menahan berat dari hasil pengujian.

Eksperimen apa yang telah dicoba oleh fisikawan?

Pada tahun 1798, Henry Cavendish menetapkan standar percobaan laboratorium untuk mengukur konstanta gravitasi menggunakan teknik yang disebut keseimbangan torsi.

Teknik itu bergantung pada semacam pendulum yang dimodifikasi. Sebuah batang dengan dua massa uji di setiap ujungnya digantungkan dari titik tengahnya pada sebuah kawat tipis yang menggantung ke bawah. Karena batangnya horizontal terhadap medan gravitasi bumi, Cavendish mampu menghilangkan sebagian besar gaya planet dari pengukuran.

See also  Teleskop Luar Angkasa James Webb terkena mikrometeoroid

Cavendish menggunakan dua bola timah kecil berdiameter dua inci sebagai massa ujinya. Kemudian dia menambahkan massa kedua, bola timah yang lebih besar dengan diameter 12 inci, yang digantung terpisah dari massa uji tetapi berdekatan satu sama lain. Ini disebut massa “sumber”. Tarikan bola timah yang lebih besar ini menyebabkan kawat berputar. Dari sudut putaran itu, Cavendish dan penerusnya telah mampu menghitung gaya gravitasi yang bekerja antara benda uji dan massa sumber. Dan karena mereka mengetahui massa setiap benda, mereka dapat menghitung “G.”

Metode serupa telah digunakan oleh para peneliti selama berabad-abad sejak Cavendish, tetapi mereka tidak selalu menemukan nilai yang sama untuk “G” atau rentang ketidakpastian yang sama, kata Schlamminger. Dan ketidaksepakatan dalam ketidakpastian perhitungan adalah “teka-teki besar.”

Jadi fisikawan terus merancang metode baru untuk mengukur “G” yang mungkin suatu hari nanti dapat mencapai hasil yang lebih tepat.

[Related: From the archives: The Theory of Relativity gains speed]

Baru bulan ini, tim dari Swiss, yang dipimpin oleh Dual, menerbitkan teknik baru di jurnal Fisika Alamyang dapat menghilangkan kebisingan dari lingkungan sekitar dan menghasilkan hasil yang lebih akurat.

Pengaturan eksperimental termasuk balok sepanjang dua meter yang digantung di ruang vakum. Para peneliti menyebabkan satu sinar bergetar pada frekuensi tertentu; karena gaya gravitasi antara dua balok, balok lainnya kemudian akan mulai bergerak juga. Menggunakan sensor laser, tim mengukur gerakan dua sinar dan kemudian menghitung konstanta gravitasi berdasarkan efek yang satu terhadap yang lain.

Hasil awal mereka menghasilkan nilai “G” sekitar 2,2 persen lebih tinggi dari nilai resmi yang direkomendasikan oleh Komite Data untuk Sains dan Teknologi (yaitu 6.67430×1011 m3⋅kg1s2), dan memiliki jendela ketidakpastian yang relatif besar.

See also  Arkeolog membantah Endeavour telah ditemukan

“Hasil kami kurang lebih sejalan dengan penentuan eksperimental sebelumnya dari ‘G.’ Artinya, hukum Newton juga berlaku untuk situasi kita, meskipun Newton tidak pernah memikirkan situasi seperti yang kita presentasikan,” kata Dual. “Ke depan, kami akan lebih tepat. Tapi sekarang, ini adalah pengukuran baru.”

Ini adalah upaya kolaboratif yang bergerak lambat tetapi secara global, kata Schlamminger, yang tidak terlibat dalam penelitian baru. “Sangat jarang mendapatkan makalah tentang ‘G besar,’” jadi meskipun hasilnya mungkin bukan pengukuran konstanta gravitasi yang paling tepat, “sangat menarik” untuk memiliki pendekatan baru dan pengukuran lain yang ditambahkan ke salah satu yang paling konstanta matematika berbobot.