Als je tijd doorbrengt in natuurkundige onderzoekskringen, je hebt misschien gehoord van de grote G-controverse.

De universele constante van de zwaartekracht, G - liefkozend bekend als "grote G" om het te onderscheiden van kleine g, de versnelling als gevolg van de zwaartekracht van de aarde - is een fundamentele natuurconstante. Het voltooit de beroemde vergelijking die de aantrekkingskracht tussen twee objecten in het universum beschrijft, of het nu planeten zijn of mensen of kantoorbenodigdheden.

Wetenschappers proberen de kracht van zwaartekracht te begrijpen sinds Isaac Newton meer dan 300 jaar geleden voor het eerst de relatie tussen massa's en zwaartekracht identificeerde. Maar ondanks eeuwen van meten, de constante is nog maar tot 3 significante cijfers bekend, veel minder dan enige andere natuurconstante. De massa van het elektron, bijvoorbeeld, is bekend tot ongeveer 8 cijfers.

Verder, naarmate G-metingen steeds geavanceerder worden, in plaats van te convergeren op een enkele waarde, de resultaten lopen waanzinnig uiteen, met foutbalken die elkaar over het algemeen niet overlappen.

"Big G is een frustrerend probleem geweest, " zegt Carl Williams, Adjunct-directeur van NIST's Physical Measurement Laboratory (PML). "Hoe meer werk we doen om het vast te spijkeren, hoe groter de verschillen lijken te zijn. Dit is een probleem waar geen metroloog blij mee kan zijn."

Ondanks het gebrek aan convergentie, de meeste van deze ongelijksoortige resultaten beginnen te clusteren rond één waarde. Maar er zijn enkele opvallende uitschieters, zoals een paar gerespecteerde experimenten die de afgelopen 15 jaar zijn uitgevoerd door het International Bureau of Weights and Measures (BIPM), de intergouvernementele organisatie die toezicht houdt op beslissingen met betrekking tot meetwetenschap en -normen.

"Er is een soort van groot debat:begrijpen we zwaartekracht niet echt als een theorie?" zegt NIST-postdoctoraal gastonderzoeker Julian Stirling. "Er is een kleine kans dat ons begrip van zwaartekracht misschien verkeerd is en er is iets anders aan deze experimenten waardoor de waarde verschilt van andere grote G-experimenten, wat echt interessant zou zijn."

Het minder opwindende maar waarschijnlijker antwoord is echter hij zegt, is dat er systematische fouten in de BIPM-metingen zijn geslopen. Dus twee jaar geleden de BIPM-wetenschappers en andere leiders in de wereldwijde inspanningen om grote G te meten ontmoetten elkaar en besloten dat deze tests opnieuw moesten worden uitgevoerd met dezelfde apparatuur, maar in een andere faciliteit en met een ander team.

NIST-onderzoekers gingen de uitdaging aan en bereiden zich momenteel voor om het BIPM-experiment te herhalen met behulp van het originele apparaat, met een paar upgrades.

De torsiebalans

G is gedeeltelijk moeilijk te meten omdat het extreem zwak is in vergelijking met andere fundamentele krachten. De waarde is klein, ongeveer 6,67 x 10 " ^-11 m ³ kg ^-1 s ^-2 , een biljoen biljoen biljoen keer zwakker dan de elektromagnetische kracht.

"De zwaartekracht tussen twee sedans die op een afstand van elkaar geparkeerd staan, is ongeveer 100 duizend keer zwakker dan de kracht om twee post-it's van elkaar te scheiden. " zegt Stirling. "Er is een reden waarom dit de minst bekende is van alle fundamentele constanten."

Om G uit te schelden, het BIPM-experiment gebruikte een torsiebalans, een populaire methode om G te meten en een die werd gebruikt in de allereerste metingen door de Engelse wetenschapper Henry Cavendish in 1798. Dit type apparaat werkt door de zwaartekracht tussen relatief kleine massa's te meten, typisch metalen bollen of cilinders die je in je hand zou kunnen houden, door het meten van de verdraaiing of torsie van een draad of strook metaal.

De versie van BIPM is veel geavanceerder dan de originele Cavendish-balans. Het gebruikt acht massa's, cilinders gemaakt van een legering van koper en tellurium. Vier zitten op een ronde carrousel die tussen metingen kan worden gedraaid. In de carrousel, de andere vier massa's, een beetje kleiner, zitten op een schijf opgehangen aan de bovenkant van de balans door een strook koper-beryllium 2,5 mm breed en 160 mm (ongeveer 6 inch) lang, met ongeveer de dikte van een mensenhaar.

Wanneer de buitenste massa's zo worden geplaatst dat ze precies gelijk zijn met de binnenste massa's, er is evenwicht. Echter, wanneer de buitenste massa's op hun carrousel naar een nieuwe oriëntatie worden gedraaid, de innerlijke massa voelt een netto aantrekkingskracht naar zich toe. De zwaartekracht zorgt ervoor dat de binnenste massa's migreren naar de buitenste massa's, het draaien van de strip die ze ophangt. De zwaartekracht van de aarde heeft geen invloed op de metingen, omdat de aantrekkingskracht tussen de massa's loodrecht op de zwaartekracht van de planeet plaatsvindt.

De hoeveelheid kracht die nodig is om de strip een bepaalde hoeveelheid te draaien is bekend. Dus door de fysieke afstand te meten die de binnenste massa's afleggen naar de stationaire buitenste massa's, met behulp van laserlicht en een spiegel aan de bovenkant van de strip, wetenschappers kunnen berekenen hoe groot de aantrekkingskracht tussen hen is. En, met die informatie, ze kunnen de gaten in de zwaartekrachtvergelijking van Newton opvullen om grote G te berekenen.

Realtime dimensionale metingen

Natuurlijk, om grote G te meten, moeten onderzoekers ook de andere grootheden in de zwaartekrachtvergelijking van Newton meten. Dat betekent de exacte massa en locatie van alle onderdelen kennen, "elk gaatje, elke massa, en elke schroef, ", zegt Stirling. En daar is een coördinatenmeetmachine (CMM) voor nodig.

CMM's worden gebruikt om afmetingen met hoge nauwkeurigheid te meten. Deze specifieke CMM is een immense granieten tafel met een bovenliggend tastsysteem, die zal worden gebruikt om de afstanden tussen punten op een object in drie dimensies te detecteren met mogelijk een meetonzekerheid van een halve miljoenste meter.

De afzonderlijke delen van de torsiebalans zullen worden gesondeerd door een CMM voordat de experimenten beginnen. Maar de CMM zal ook gebruikt worden tijdens het eigenlijke experiment, om ervoor te zorgen dat de afstanden tussen de cilinders met hoge nauwkeurigheid bekend zijn. Elke grote G-meting vindt plaats in vacuüm, dus alleen de buitenste cilinders zijn toegankelijk met de vacuümdop erop.

Momenteel, het team bereidt zich nog steeds voor op hun experimentele run. Deze zomer, er werd een nieuwe CMM aan NIST geleverd die groot genoeg was om voor het experiment te worden gebruikt. In feite, de CMM was zo groot dat hij in stukken moest worden neergelaten via een ontluchter boven het laboratoriumniveau, ongeveer vier verdiepingen onder de grond, en er moest een muur worden verwijderd om hem in de meetkamer te krijgen.

Hoewel de hardware allemaal van BIPM is, er zijn een paar updates. "We hebben veel elektronica moeten vervangen, ", zegt Stirling. "En ook computers zijn de afgelopen 15 jaar een beetje veranderd."

"We zijn enorm enthousiast, en ook een beetje bang, om te zien of we deze discrepantie kunnen oplossen, en overtuigend de meetafwijking of onverklaarde fysica - of misschien zelfs nieuwe fysica - te identificeren die de bestaande resultaten verklaart, " zegt Jon Pratt, Hoofd van de afdeling Quantum Measurement van PML. "Het angstaanjagende deel is duidelijk:vooringenomenheid of onverklaarde fysica in dit experiment is verreweg de meest waarschijnlijke verklaring, maar ze zullen uiterst moeilijk te vinden zijn, aangezien enkele van de beste meetwetenschappers ter wereld al hun best hebben gedaan om ze te elimineren! Het opwindende deel voor ons is misschien minder voor de hand liggend:simpel gezegd, het oplossen van dit soort discrepantie is waar het bij wetenschap om draait, en een beetje waar we voor leven bij NIST."

De metingen beginnen deze winter.