Løsning af mysteriet om den store G-kontrovers

Hvis du bruger tid i fysikforskningskredse, du har måske hørt om den store G-kontrovers.

Den universelle gravitationskonstant, G - kærligt kendt som "big G" for at skelne det fra lille g, accelerationen på grund af Jordens tyngdekraft – er en fundamental konstant i naturen. Det fuldender den berømte ligning, der beskriver tyngdekraften af ​​tiltrækning mellem to objekter i universet, uanset om de er planeter eller mennesker eller kontorartikler.

Forskere har forsøgt at forstå tyngdekraftens styrke, siden Isaac Newton første gang identificerede forholdet mellem masser og tyngdekraft for mere end 300 år siden. Men på trods af århundreders måling, konstanten kendes stadig kun til 3 signifikante cifre, meget mindre end nogen anden naturkonstant. elektronens masse, for eksempel, er kendt til omkring 8 cifre.

Desuden, efterhånden som G-målinger bliver mere og mere sofistikerede, snarere end at konvergere på en enkelt værdi, resultaterne afviger sindssygt fra hinanden, med fejlbjælker, der generelt ikke overlapper hinanden.

"Big G har været et frustrerende problem, siger Carl Williams, Vicedirektør for NIST's Physical Measurement Laboratory (PML). "Jo mere arbejde vi gør for at slå det fast, jo større divergenserne ser ud til at være. Dette er et spørgsmål, som ingen metrolog kan være tilfreds med."

På trods af manglen på konvergens, de fleste af disse forskellige resultater begynder at samle sig omkring én værdi. Men der er nogle mærkbare outliers, såsom et par velrespekterede eksperimenter udført i løbet af de sidste 15 år af International Bureau of Weights and Measures (BIPM), den mellemstatslige organisation, der fører tilsyn med beslutninger relateret til målevidenskab og standarder.

"Der er en slags stor debat:Er det, at vi ikke rigtig forstår tyngdekraften som en teori?" siger NIST postdoc-gæsteforsker Julian Stirling. "Der er en lille chance for, at vores forståelse af tyngdekraften måske er forkert, og at der er noget lidt anderledes ved disse eksperimenter, der får værdien til at være anderledes end andre store G-eksperimenter, hvilket ville være rigtig interessant."

Det mindre spændende, men mere sandsynlige svar, han siger, er, at der har sneget sig systematiske fejl ind i BIPM-målingerne. Så for to år siden, BIPM-forskerne og andre ledere i de verdensomspændende bestræbelser på at måle stort G mødtes og besluttede, at disse tests skulle udføres igen med det samme udstyr, men på et andet anlæg og med et andet hold.

NIST-forskere tog udfordringen op og forbereder sig i øjeblikket på at gentage BIPM-eksperimentet ved hjælp af det originale apparat, med et par opgraderinger.

Torsionsbalancen

G er til dels vanskelig at måle, fordi den er ekstremt svag sammenlignet med andre fundamentale kræfter. Dens værdi er lille, omkring 6,67 x 10 ^-11 m ³ kg ^-1 s ^-2 , en trillion billioner billioner gange svagere end den elektromagnetiske kraft.

"Tyngekraften mellem to sedaner parkeret en plads fra hinanden er cirka 100 tusind gange svagere end kraften til at adskille to post-it sedler, " siger Stirling. "Der er en grund til, at dette er den mindst kendte af alle de grundlæggende konstanter."

For at slå G ud, BIPM-eksperimentet brugte en torsionsbalance, en populær metode til at måle G og en, der blev brugt i de allerførste målinger af den engelske videnskabsmand Henry Cavendish i 1798. Denne type anordning fungerer ved at måle tyngdekraften mellem relativt små masser, typisk metalkugler eller cylindre, som du kan holde i hånden, ved at måle vridningen eller drejningsmomentet af en tråd eller metalstrimmel.

BIPM's version er meget mere sofistikeret end den originale Cavendish balance. Den bruger otte masser, cylindre lavet af en legering af kobber og tellur. Fire sidder på en rund karrusel, der kan drejes mellem målingerne. Inde i karrusellen, de andre fire masser, lidt mindre, sidde på en skive ophængt fra toppen af ​​vægten af ​​en strimmel kobber-beryllium 2,5 mm bred og 160 mm (ca. 6 tommer) lang, med omtrent tykkelsen af ​​et menneskehår.

Når de ydre masser er placeret, så de er nøjagtigt lige med de indre masser, der er ligevægt. Imidlertid, når de ydre masser på deres karrusel vendes til en ny orientering, de indre masser mærker et nettotræk mod sig. Tyngdekraften får de indre masser til at migrere mod de ydre masser, vride strimlen, der suspenderer dem. Jordens tyngdekraft påvirker ikke målingerne, da tiltrækningen mellem masserne sker vinkelret på planetens tyngdekraft.

Mængden af ​​kraft, der er nødvendig for at vride strimlen en vis mængde, er kendt. Så ved at måle den fysiske afstand, som de indre masser rejser mod de stationære ydre masser, ved hjælp af laserlys og et spejl i toppen af ​​strimlen, forskere kan beregne, hvor stor tyngdekraftens tiltrækning er mellem dem. Og, med den information, de kan udfylde hullerne i Newtons tyngdekraftsligning for at beregne stort G.

Realtidsdimensionelle målinger

Selvfølgelig, For at måle stort G skal forskere også måle de andre størrelser i Newtons gravitationsligning. Det betyder at kende den nøjagtige masse og placering af alle dens dele, "hvert hul, hver messe, og hver skrue, " siger Stirling. Og det kræver en koordinatmålemaskine (CMM).

CMM'er bruges til at måle dimensioner med høj nøjagtighed. Denne særlige CMM er et enormt granitbord med en overhead touch-probe, som vil blive brugt til at detektere afstandene mellem punkter på et objekt i tre dimensioner med potentielt en halv milliontedel af en meter måleusikkerhed.

De enkelte stykker af torsionsvægten vil blive sonderet af en CMM før eksperimenterne begynder. Men CMM'en vil også blive brugt under selve eksperimentet, for at sikre, at afstandene mellem cylindrene er kendt med høj nøjagtighed. Hver store G-måling finder sted i vakuum, så kun de ydre cylindre er tilgængelige med vakuumhætten på.

I øjeblikket, holdet er stadig ved at forberede deres eksperimentelle løb. Den her sommer, en ny CMM blev leveret til NIST, der var stor nok til at blive brugt til eksperimentet. Faktisk, CMM'en var så stor, at den måtte sænkes i stykker gennem en luftventil over laboratorieniveauet, omkring fire etager under jorden, og en væg skulle fjernes for at få den ind i målerummet.

Selvom hardwaren alt er fra BIPM, der er et par opdateringer. "Vi har været nødt til at udskifte meget af elektronikken, " Stirling siger. "Og også computere har ændret sig en smule i løbet af de sidste 15 år."

"Vi er meget begejstrede, og også lidt bange, for at se, om vi kan ordne denne uoverensstemmelse, og overbevisende identificere den målebias eller uforklarede fysik – eller måske endda ny fysik – der forklarer de eksisterende resultater, " siger Jon Pratt, Chef for PML's kvantemålingsdivision. "Den skræmmende del er indlysende:skævhed eller uforudset fysik i dette eksperiment er langt den mest sandsynlige forklaring, men de vil være ekstremt svære at finde, da nogle af de bedste måleforskere i verden allerede har gjort deres bedste for at eliminere dem! Den spændende del for os er måske mindre indlysende:Enkelt sagt, At sortere denne type uoverensstemmelse er det, videnskab handler om, og noget af det, vi lever for på NIST."

Målingerne begynder denne vinter.