Se trascorri del tempo nei circoli di ricerca in fisica, potresti aver sentito parlare della controversia sulla grande G.

La costante di gravitazione universale, G - affettuosamente chiamata "G grande" per distinguerla dalla g piccola, l'accelerazione dovuta alla gravità terrestre – è una costante fondamentale della natura. Completa la famosa equazione che descrive la forza di attrazione gravitazionale tra due oggetti qualsiasi nell'universo, siano pianeti o persone o forniture per ufficio.

Gli scienziati hanno cercato di capire la forza della gravitazione da quando Isaac Newton ha identificato per la prima volta la relazione tra le masse e la forza gravitazionale più di 300 anni fa. Ma nonostante secoli di misurazioni, la costante è ancora nota solo a 3 cifre significative, molto meno di ogni altra costante della natura. La massa dell'elettrone, Per esempio, è noto a circa 8 cifre.

Per di più, man mano che le misurazioni di G diventano sempre più sofisticate, piuttosto che convergere su un unico valore, i risultati divergono in modo esasperante l'uno dall'altro, con barre di errore che generalmente non si sovrappongono.

"Big G è stato un problema frustrante, "dice Carl Williams, Vicedirettore del Physical Measurement Laboratory (PML) del NIST. "Più lavoro facciamo per inchiodarlo, più grandi sembrano essere le divergenze. Questo è un problema di cui nessun metrologo può essere soddisfatto".

Nonostante la mancanza di convergenza, la maggior parte di questi risultati disparati iniziano a raggrupparsi attorno a un valore. Ma ci sono alcuni outlier evidenti, come un paio di rispettati esperimenti condotti negli ultimi 15 anni dall'International Bureau of Weights and Measures (BIPM), l'organizzazione intergovernativa che sovrintende alle decisioni relative alla scienza e agli standard di misurazione.

"C'è una sorta di grande dibattito:è che non comprendiamo davvero la gravità come una teoria?" afferma il ricercatore ospite post-dottorato del NIST Julian Stirling. "C'è qualche piccola possibilità che forse la nostra comprensione della gravità sia sbagliata e c'è qualcosa di leggermente diverso in questi esperimenti che fa sì che il valore sia diverso da altri grandi esperimenti G, il che sarebbe davvero interessante."

La risposta meno eccitante ma più probabile però, lui dice, è che errori sistematici si sono insinuati nelle misurazioni BIPM. Quindi due anni fa, gli scienziati del BIPM e altri leader negli sforzi mondiali per misurare il grande G si sono incontrati e hanno deciso che questi test dovrebbero essere condotti di nuovo con la stessa attrezzatura, ma in una struttura diversa e con una squadra diversa.

I ricercatori del NIST hanno accettato la sfida e si stanno attualmente preparando a ripetere l'esperimento BIPM utilizzando l'apparato originale, con alcuni aggiornamenti.

L'equilibrio di torsione

G è difficile da misurare in parte perché è estremamente debole rispetto ad altre forze fondamentali. Il suo valore è minuscolo, circa 6,67 x 10 ^-11 m ³ kg ^-1 S ^-2 , un trilione di trilioni di trilioni di volte più debole della forza elettromagnetica.

"La forza gravitazionale tra due berline parcheggiate a uno spazio di distanza è circa 100mila volte più debole della forza per separare due post-it, "Stirling dice. "C'è una ragione per cui questa è la meno conosciuta di tutte le costanti fondamentali".

Per scoprire G fuori, l'esperimento BIPM ha utilizzato un equilibrio di torsione, un metodo popolare per misurare G e uno che è stato utilizzato nelle primissime misurazioni dallo scienziato inglese Henry Cavendish nel 1798. Questo tipo di dispositivo funziona misurando la forza gravitazionale tra masse relativamente piccole, tipicamente sfere o cilindri di metallo che potresti tenere in mano, misurando la torsione o la torsione di un filo o di una striscia di metallo.

La versione di BIPM è molto più sofisticata della bilancia Cavendish originale. Usa otto masse, cilindri fatti di una lega di rame e tellurio. Quattro sono seduti su una giostra rotonda che può essere ruotata tra le misurazioni. All'interno della giostra, le altre quattro masse, leggermente più piccolo, sedersi su un disco sospeso alla sommità della bilancia da una striscia di rame-berillio larga 2,5 mm e lunga 160 mm (circa 6 pollici), con circa lo spessore di un capello umano.

Quando le masse esterne sono posizionate in modo che siano esattamente pari alle masse interne, c'è equilibrio. Però, quando le masse esterne sulla loro giostra sono rivolte a un nuovo orientamento, le masse interne sentono una netta attrazione verso di loro. La forza gravitazionale fa sì che le masse interne migrino verso le masse esterne, torcendo la striscia che li sospende. La gravità terrestre non influisce sulle misurazioni, poiché l'attrazione tra le masse avviene perpendicolarmente all'attrazione gravitazionale del pianeta.

La quantità di forza necessaria per torcere la striscia di una certa quantità è nota. Quindi, misurando la distanza fisica che le masse interne percorrono verso le masse esterne stazionarie, usando la luce laser e uno specchio nella parte superiore della striscia, gli scienziati possono calcolare quanto sia grande l'attrazione gravitazionale tra di loro. E, con quelle informazioni, possono colmare le lacune nell'equazione gravitazionale di Newton per calcolare G grande.

Misure dimensionali in tempo reale

Certo, per misurare G grande i ricercatori devono anche misurare le altre quantità nell'equazione gravitazionale di Newton. Ciò significa conoscere la massa esatta e la posizione di tutte le sue parti, "ogni buco, ogni massa, e ogni vite, " dice Stirling. E questo richiede una macchina di misura a coordinate (CMM).

Le CMM vengono utilizzate per misurare le dimensioni con elevata precisione. Questa particolare CMM è un immenso tavolo in granito con un tastatore sopraelevato, che verrà utilizzato per rilevare le distanze tra i punti su un oggetto in tre dimensioni con un'incertezza di misura potenzialmente di mezzo milionesimo di metro.

I singoli pezzi della bilancia di torsione saranno sondati da una CMM prima dell'inizio degli esperimenti. Ma la CMM verrà utilizzata anche durante l'esperimento vero e proprio, per garantire che le distanze tra i cilindri siano note con elevata precisione. Ogni grande misura di G avviene nel vuoto, quindi solo i cilindri esterni sono accessibili con il tappo del vuoto inserito.

Al momento, il team si sta ancora preparando per la loro corsa sperimentale. Quest'estate, una nuova CMM è stata consegnata al NIST che era abbastanza grande da essere utilizzata per l'esperimento. Infatti, la CMM era così grande che doveva essere abbassata a pezzi attraverso una presa d'aria sopra il livello del laboratorio, circa quattro piani sotto terra, e un muro doveva essere rimosso per farlo entrare nella stanza delle misurazioni.

Sebbene l'hardware sia tutto di BIPM, ci sono alcuni aggiornamenti. "Abbiamo dovuto sostituire molta dell'elettronica, " dice Stirling. "E anche i computer sono un po' cambiati negli ultimi 15 anni".

"Siamo estremamente emozionati, e anche un po' terrorizzato, per vedere se possiamo risolvere questa discrepanza, e identificare in modo convincente il bias di misurazione o la fisica non spiegata, o forse anche la nuova fisica, che spiega i risultati esistenti, "dice Jon Pratt, Capo della Divisione Misurazioni Quantistiche di PML. "La parte terrificante è ovvia:il pregiudizio o la fisica non spiegata in questo esperimento è di gran lunga la spiegazione più probabile, eppure saranno estremamente difficili da trovare, poiché alcuni dei migliori scienziati di misurazione del mondo hanno già fatto del loro meglio per eliminarli! La parte eccitante per noi è forse meno ovvia:in poche parole, risolvere questo tipo di discrepanza è ciò di cui si occupa la scienza, e tipo di ciò per cui viviamo al NIST."

Le misurazioni inizieranno questo inverno.