Was ist der Wert von G?
von Jennifer Lauren Lee , National Institute of Standards and Technology
NIST hat an einem neuen Vorstoß teilgenommen, um ein anhaltendes und wachsendes Problem in der Physik anzugehen: den Wert von G. Die Newtonsche Gravitationskonstante, die zur Berechnung der Anziehungskraft der Schwerkraft zwischen Objekten verwendet wird, ist mehr über 300 Jahre alt. Aber obwohl Wissenschaftler seit Jahrhunderten versuchen, seinen Wert zu messen, ist G immer noch nur 3 signifikanten Zahlen bekannt. Im Gegensatz dazu wurden andere Konstanten mit viel größerer Genauigkeit gemessen; Die Masse des Elektrons in Kilogramm ist beispielsweise etwa 8-stellig bekannt.i
Schlimmer noch, je mehr Experimente Forscher durchführen, um die Gravitationskonstante zu bestimmen, desto mehr divergieren ihre Ergebnisse.
Am 9. und 10.Oktober 2014 versammelten sich mehrere Dutzend Wissenschaftler aus der ganzen Welt am NIST, um ihre Optionen zu prüfen.“Wir sind alle hier, weil wir ein Problem mit G haben – und ich meine, Junge, haben wir ein Problem mit G“, sagte Carl Williams, Chef der Quantenmessabteilung von PML, am ersten Morgen des Treffens vor der versammelten Gruppe. „Dies ist zu einem der ernsten Probleme geworden, mit denen sich die Physik befassen muss.Die Gravitationskonstante ist bekannt als „big G“, um sie von „Little g“, der Beschleunigung aufgrund der Erdanziehungskraft, zu unterscheiden.ii Trotz seines Namens, big G ist winzig – Über 6.67 x 10-11 m3 kg-1 s-2 – und vergleichsweise schwach, etwa eine Billion Billionen Mal schwächer als die elektromagnetische Kraft, die für die Befestigung von Souvenirmagneten an Kühlschränken verantwortlich ist. Und seine Schwäche macht es schwierig zu messen.
Experimentatoren haben eine Vielzahl von Ansätzen verwendet – schwingende Pendel, Massen im freien Fall, Schwebebalken und Torsionswaagen, die das Drehmoment oder die Drehung von Drähten messen, die Massen tragen, die von anderen Massen angezogen werden. Aber ein Diagramm aller Ergebnisse aus der Vergangenheit 15 Jahre zeigen eine relativ große Streuung der Werte von etwa 6.67 x 10-11 m3 Kilogramm-1 s-2.Darüber hinaus musste CODATA – das International Council for Science Committee on Data for Science and Technology, das die Ergebnisse einzelner Experimente analysiert und einen international anerkannten Wertesatz für fundamentale physikalische Konstanten bereitstellt – die Unsicherheit bei seiner jüngsten Empfehlung für einen Wert von G aufgrund der Divergenz der Experimente erhöhen.iii
Beim NIST-Workshop waren sich die 53 Teilnehmer einhellig einig, dass etwas getan werden sollte. Sie empfahlen einer oder mehreren Organisationen, jährliche oder halbjährliche Treffen einzurichten, die sich speziell auf die Kampagne konzentrierten, um den Wert von Big G genauer zu bestimmen, und sie unterstützten die Idee, sich auf neue Messansätze zu konzentrieren, wie z. B. den Atominterferometrie-Aufbau, der kürzlich in einem Experiment mit lasergekühlten Rubidiumatomen verwendet wurde.iv
Der Hauptschuldige an diesen Diskrepanzen sind vermutlich systematische Unsicherheiten in den Messungen, und ein Großteil der Diskussion konzentrierte sich auf die Reduzierung von Lärm. Eine Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, so die Teilnehmer, besteht darin, dass verschiedene Teams unabhängige Experimente mit demselben Gerätesatz durchführen. Zwei Gruppen mit besonders abweichenden Ergebnissen boten ihre Ausrüstung während des Meetings an, bis Gespräche mit den Teams geführt wurden, die die Ressourcen wiederverwenden werden.
Die Teilnehmer des Workshops äußerten mäßiges Interesse an der Bildung eines Konsortiums, einer Organisation, die den Prozess der Konsensfindung zentralisieren würde. Ein potenzieller Vorteil eines Konsortiums wäre es, NIST und anderen Nationalen Messinstituten (NMIs) die Möglichkeit zu geben, den Mitgliedern Unterstützung zu leisten, beispielsweise in Form von Präzisionslängenmessdiensten.“Offensichtlich gibt es keine richtige Antwort darauf, wie man sich vorwärts bewegen kann“, sagte Williams. „Aber es gibt internationale Unterstützung bei der Lösung der Big G-Kontroverse, und es ist in dieser Hinsicht eine großartige Zeit für uns.“
Weitere Informationen: i Die Masse eines Elektrons beträgt 9.109 382 91(40) x 10-31 kg, wobei die Zahl in Klammern die Unsicherheit in den letzten beiden Ziffern angibt.
ii Um die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten zu berechnen, muss das Produkt zweier Massen durch das Quadrat des Abstands zwischen ihnen dividiert und dieser Wert dann mit G multipliziert werden. Die Gleichung lautet F =Gm1m2/r2.
iii CODATAS neuestes Set, veröffentlicht im Jahr 2010, empfahl einen Wert für G von 6.673 84(80) x 10-11 m3 kg-1 s-2 im Vergleich zu seinem vorherigen Ergebnis von 2006 von 6.674 28(67) x 10-11 m3 kg-1 s-2. Die Werte in Klammern geben die Standardunsicherheit (basierend auf der Standardabweichung) an, in diesem Fall plus oder minus 0,000 80 x 10-11 m3 kg-1 s-2 bzw. plus oder minus 0,000 67 x 10-11 m3 kg-1 s-2.
iv In diesem Experiment schoben die Forscher zwei Wolken kalter Rubidiumatome mit Laserlicht in eine Vakuumkammer. Die Atome beschleunigten unterschiedlich, abhängig von der Platzierung von Massen mit hoher Dichte (Wolframgewichte von insgesamt etwa 500 kg), die in verschiedenen Konfigurationen angeordnet waren. Beschleunigungsunterschiede aufgrund der Anziehungskraft der Atome auf die Wolframmassen konnten im Interferenzmuster der Wolken aufgegriffen werden. G. Rosi, F. Sorrentino, L. Cacciapuoti, M. Prevedelli und G.M. Tino. Präzisionsmessung der Newtonschen Gravitationskonstante mit kalten Atomen. Natur. Vol. 510. 518–521. 26. Juni 2014. DOI: 10.1038/nature13433
Bereitgestellt vom Nationalen Institut für Standards und Technologie