Vad är värdet av G?

NIST har deltagit i en ny push för att ta itu med en ihållande och växande problem i fysik: värdet av G. den newtonska konstant av gravitation, används för att beräkna den attraktiva tyngdkraften mellan objekt, är mer än 300 år gammal. Men även om forskare har försökt mäta sitt värde i århundraden, är G fortfarande bara känt för 3 signifikanta siffror. Däremot har andra konstanter uppmätts med mycket större precision; elektronens massa i kilogram är till exempel känd för cirka 8 siffror.i

värre än, ju fler experiment forskare utför för att fastställa gravitationskonstanten, desto mer avviker deras resultat.

den 9-10 oktober 2014 samlades flera dussin forskare från hela världen på NIST för att överväga deras alternativ.

”Vi är alla här för att vi har problem med G – och jag menar, pojke, har vi problem med G”, säger Carl Williams, chef för PML: s Kvantmätningsavdelning, till den sammansatta gruppen den första morgonen av mötet. ”Detta har blivit en av de allvarliga frågor som fysiken behöver ta itu med.”

gravitationskonstanten är bekant känd som” big G ”för att skilja den från” little g”, accelerationen på grund av jordens gravitation.ii trots sitt namn är big G tiny-ca 6.67 x 10-11 m3 kg-1 s-2 – och relativt svag, ungefär en Biljon biljoner biljoner gånger svagare än den elektromagnetiska kraften som är ansvarig för att fästa souvenirmagneter på kylskåp. Och dess svaghet gör det svårt att mäta.

experimentalister har använt en mängd olika tillvägagångssätt-svängande pendlar, massor i fritt fall, balansbalkar och torsionsbalanser som mäter vridmomentet eller rotationen av ledningar som stöder massor som lockas till andra massor. Men en plot av alla resultat från det förflutna 15 år avslöjar en relativt stor spridning i värden som sträcker sig från ca 6.67 x 10-11 m3 kg-1 s-2.

dessutom har CODATA-International Council for Science Committee on Data for Science and Technology, som analyserar resultaten av enskilda experiment och ger en internationellt accepterad uppsättning värden för grundläggande fysiska konstanter – varit tvungen att öka osäkerheten om sin senaste rekommendation för ett värde av G på grund av experimentets divergens.iii

på NIST-Workshopen enades de 53 deltagarna enhälligt om att något skulle göras. De rekommenderade att en eller flera organisationer etablerar årliga eller tvååriga möten fokuserade specifikt på kampanjen för att bestämma big G: S värde med större noggrannhet, och de stödde tanken på att fokusera på nya metoder för mätningen, såsom atominterferometriinställningen som används i ett nyligen experiment som involverar laserkylda rubidiumatomer.iv

den främsta skyldige i dessa avvikelser misstänks vara systematiska osäkerheter i mätningarna, och mycket av diskussionen fokuserade på att minska buller. Ett sätt att ta itu med detta problem, kände deltagarna, är att olika lag utför oberoende experiment med samma uppsättning apparater. Två grupper med särskilt avvikande resultat erbjöd sin utrustning under mötet, i väntan på diskussioner med teamen som kommer att återanvända resurserna.

Workshopdeltagare uttryckte måttligt intresse för att bilda ett konsortium, en organisation som skulle centralisera processen att hitta konsensus. En potentiell fördel med ett konsortium skulle vara att ge NIST och andra nationella Mätinstitut (Nmis) ett sätt att bidra med stöd, till exempel i form av precisionslängdsmätartjänster, till medlemmarna.

” det är uppenbart att det inte finns något rätt svar för hur man går framåt”, sa Williams. ”Men det finns internationellt stöd kring att lösa big G-kontroversen, och så är det en bra tid för oss i det avseendet.”