Qual è il valore di G?

il NIST ha preso parte ad una nuova spinta per affrontare una persistente e crescente problema di fisica: il valore di G. Newton, la costante di gravità, utilizzato per calcolare la forza di attrazione di gravità tra gli oggetti, è più di 300 anni. Ma anche se gli scienziati hanno cercato di misurare il suo valore per secoli, G è ancora noto solo a 3 cifre significative. Al contrario, altre costanti sono state misurate con una precisione molto maggiore; la massa dell’elettrone in chilogrammi, ad esempio, è nota a circa 8 cifre.i

Peggio ancora, più esperimenti conducono i ricercatori per definire la costante gravitazionale, più i loro risultati divergono.

Il 9-10 ottobre 2014, diverse dozzine di scienziati di tutto il mondo si sono riuniti al NIST per considerare le loro opzioni.

“Siamo tutti qui perché abbiamo un problema con G – e voglio dire, ragazzo, abbiamo un problema con G”, ha detto Carl Williams, capo della divisione di misurazione quantistica di PML, al gruppo assemblato la prima mattina della riunione. “Questo è diventato uno dei problemi seri che la fisica deve affrontare.”

La costante gravitazionale è familiarmente conosciuta come “big G” per distinguerla da “little g”, l’accelerazione dovuta alla gravità terrestre.ii Nonostante il suo nome, big G è piccolo-circa 6.67 x 10-11 m3 kg-1 s-2-e relativamente debole, circa un trilione di trilioni di volte più debole della forza elettromagnetica responsabile dell’apposizione di magneti souvenir ai frigoriferi. E la sua debolezza lo rende difficile da misurare.

Gli sperimentalisti hanno utilizzato una varietà di approcci: pendoli oscillanti, masse in caduta libera, travi di equilibrio e bilance di torsione che misurano la coppia o la rotazione dei fili che supportano masse attratte da altre masse. Ma una trama di tutti i risultati degli ultimi 15 anni rivela una diffusione relativamente ampia in valori che vanno da circa 6.67 x 10-11 m3 kg-1 s-2.

Inoltre, CODATA – l’International Council for Science Committee on Data for Science and Technology, che analizza i risultati di singoli esperimenti e fornisce un set di valori accettati a livello internazionale per le costanti fisiche fondamentali – ha dovuto aumentare l’incertezza sulla sua ultima raccomandazione per un valore di G a causa della divergenza degli esperimenti.iii

Al workshop NIST, i 53 partecipanti hanno convenuto all’unanimità che qualcosa dovrebbe essere fatto. Hanno raccomandato che una o più organizzazioni stabiliscano incontri annuali o biennali incentrati specificamente sulla campagna per determinare il valore di big G con maggiore precisione e hanno sostenuto l’idea di concentrarsi su nuovi approcci alla misurazione, come l’impostazione dell’interferometria atomica utilizzata in un recente esperimento che coinvolge atomi di rubidio raffreddati a laser.iv

Il principale colpevole di queste discrepanze è sospettato di essere incertezze sistematiche nelle misurazioni, e gran parte della discussione si è concentrata sulla riduzione del rumore. Un modo per affrontare questo problema, i partecipanti hanno ritenuto, è per diversi team di condurre esperimenti indipendenti utilizzando lo stesso insieme di apparecchi. Due gruppi con risultati particolarmente devianti hanno offerto le loro attrezzature durante l’incontro, in attesa di discussioni con i team che riutilizzeranno le risorse.

I partecipanti al workshop hanno espresso un moderato interesse a formare un consorzio, un’organizzazione che centralizzerebbe il processo di ricerca del consenso. Un potenziale vantaggio di un consorzio sarebbe fornire al NIST e ad altri istituti nazionali di misura (NMI) un mezzo per contribuire al sostegno, ad esempio sotto forma di servizi di metrologia della lunghezza di precisione, ai membri.

“Chiaramente, non esiste una risposta giusta per andare avanti”, ha detto Williams. “Ma c’è un supporto internazionale per risolvere la controversia di Big G, e quindi è un grande momento per noi in questo senso.”