Om du tillbringar tid i fysikforskningscirklar, du kanske har hört talas om den stora G -kontroversen.

Den universella gravitationskonstanten, G - kärleksfullt känd som "stort G" för att skilja det från lilla g, accelerationen på grund av jordens gravitation - är en grundläggande naturkonstant. Den fullbordar den berömda ekvationen som beskriver dragningskraften av attraktion mellan två objekt i universum, oavsett om de är planeter eller människor eller kontorsmaterial.

Forskare har försökt förstå gravitationens styrka sedan Isaac Newton först identifierade sambandet mellan massor och gravitationskraft för mer än 300 år sedan. Men trots århundraden av mätning, konstanten är fortfarande bara känd för 3 betydande siffror, mycket mindre än någon annan naturkonstant. Elektronens massa, till exempel, är känt med cirka 8 siffror.

Vidare, som G -mätningar blir mer och mer sofistikerade, snarare än att konvergera på ett enda värde, resultaten avviker galet från varandra, med felstaplar som i allmänhet inte överlappar varandra.

"Big G har varit ett frustrerande problem, "säger Carl Williams, Biträdande direktör för NIST:s fysiska mätlaboratorium (PML). "Ju mer arbete vi gör för att spika ner det, desto större verkar skillnaderna vara. Det här är en fråga som ingen metrolog kan vara nöjd med. "

Trots bristen på konvergens, de flesta av dessa olika resultat börjar samlas kring ett värde. Men det finns några märkbara avvikelser, såsom ett par väl respekterade experiment som genomförts under de senaste 15 åren av International Bureau of Weights and Measures (BIPM), den mellanstatliga organisationen som övervakar beslut relaterade till mätvetenskap och standarder.

"Det finns en slags stor debatt:Är det så att vi inte riktigt förstår tyngdkraften som en teori?" säger NIST postdoktoral gästforskare Julian Stirling. "Det finns en liten chans att vår förståelse av gravitation kanske är fel och att det är något lite annorlunda med dessa experiment som gör att värdet skiljer sig från andra stora G -experiment, vilket skulle vara riktigt intressant. "

Det mindre spännande men mer troliga svaret är dock, han säger, är att systematiska fel har smugit sig in i BIPM -mätningarna. Så för två år sedan, BIPM -forskarna och andra ledare i de globala ansträngningarna att mäta stora G träffade och beslutade att dessa tester skulle utföras igen med samma utrustning, men på en annan anläggning och med ett annat team.

NIST -forskare antog utmaningen och förbereder för närvarande att upprepa BIPM -experimentet med den ursprungliga apparaten, med några uppgraderingar.

Torsionsbalansen

G är delvis svår att mäta eftersom den är extremt svag jämfört med andra grundkrafter. Dess värde är litet, ca 6,67 x 10 ^-11 m ³ kg ^-1 s ^-2 , en biljon biljon biljoner gånger svagare än den elektromagnetiska kraften.

"Tyngdkraften mellan två sedaner parkerade ett utrymme från varandra är ungefär 100 tusen gånger svagare än kraften att separera två post-it-lappar, "Säger Stirling." Det finns en anledning till varför detta är den minst kända av alla de grundläggande konstanterna. "

För att sussa ut G, BIPM -experimentet använde en torsionsbalans, en populär metod för att mäta G och en som användes vid de allra första mätningarna av den engelska forskaren Henry Cavendish 1798. Denna typ av enhet fungerar genom att mäta gravitationskraften mellan relativt små massor, vanligtvis metallkulor eller cylindrar som du kan hålla i handen, genom att mäta vridningen eller vridmomentet av en tråd eller metallremsa.

BIPM:s version är mycket mer sofistikerad än den ursprungliga Cavendish -balansen. Den använder åtta massor, cylindrar gjorda av en legering av koppar och tellur. Fyra sitter på en rund karusell som kan roteras mellan mätningarna. Inuti karusellen, de andra fyra massorna, lite mindre, sitta på en skiva upphängd från toppen av balansen av en remsa av koppar-beryllium 2,5 mm bred och 160 mm (cirka 6 tum) lång, med ungefär tjockleken på ett människohår.

När de yttre massorna placeras så att de är exakt jämna med de inre massorna, det finns jämvikt. Dock, när de yttre massorna på deras karusell vänds till en ny orientering, de inre massorna känner ett nät dra mot dem. Gravitationskraften får de inre massorna att vandra mot de yttre massorna, vridning av remsan som hänger dem. Jordens tyngdkraft påverkar inte mätningarna, eftersom attraktionen mellan massorna sker vinkelrätt mot planetens dragkraft.

Mängden kraft som behövs för att vrida remsan en viss mängd är känd. Så genom att mäta det fysiska avståndet som de inre massorna rör sig mot de stationära yttre massorna, med laserljus och en spegel högst upp på remsan, forskare kan beräkna hur stor gravitationen är mellan dem. Och, med den informationen, de kan fylla i luckorna i Newtons gravitation ekvation för att beräkna stora G.

Dimensioner i realtid

Självklart, för att mäta stora G -forskare måste också mäta de andra mängderna i Newtons gravitationsekvation. Det betyder att veta den exakta massan och platsen för alla dess delar, "varje hål, varje massa, och varje skruv, "Säger Stirling. Och det kräver en koordinatmätmaskin (CMM).

CMM används för att mäta dimensioner med hög noggrannhet. Denna speciella CMM är ett enormt granitbord med en overhead touch -sond, som kommer att användas för att detektera avstånden mellan punkter på ett objekt i tre dimensioner med potentiellt en halv miljondels mätosäkerhet.

De enskilda delarna av torsionsbalansen kommer att undersökas av en CMM innan experimenten börjar. Men CMM kommer också att användas under själva experimentet, för att säkerställa att avstånden mellan cylindrarna är kända med hög noggrannhet. Varje stor G -mätning sker i vakuum, så bara de yttre cylindrarna är tillgängliga med vakuumkåpan på.

Just nu, laget förbereder sig fortfarande för deras experimentella körning. Den här sommaren, en ny CMM levererades till NIST som var tillräckligt stor för att kunna användas för experimentet. Faktiskt, CMM var så stor att den måste sänkas i bitar genom en luftventil över laboratorienivån, ungefär fyra våningar under marken, och en vägg måste tas bort för att få in den i mätrummet.

Även om hårdvaran är allt från BIPM, det finns några uppdateringar. "Vi har fått byta ut mycket elektronik, "Säger Stirling." Och även datorer har förändrats lite under de senaste 15 åren. "

"Vi är väldigt glada, och lite rädd, för att se om vi kan reda ut denna skillnad, och på ett övertygande sätt identifiera mätförskjutningen eller fysiken utan redovisning-eller kanske till och med ny fysik-som förklarar de befintliga resultaten, säger Jon Pratt, Chef för PML:s kvantmätningsavdelning. "Den skrämmande delen är uppenbar:partiskhet eller oförklarad fysik i detta experiment är den mest troliga förklaringen, men de kommer att vara extremt svåra att hitta, eftersom några av de bästa mätforskarna i världen redan har gjort sitt bästa för att eliminera dem! Den spännande delen för oss är kanske mindre uppenbar:enkelt uttryckt att reda ut den här typen av avvikelser är vad vetenskapen handlar om, och ungefär vad vi lever för på NIST. "

Mätningarna börjar i vinter.