Si pasa tiempo en los círculos de investigación de la física, es posible que haya oído hablar de la controversia de la gran G.

La constante universal de la gravitación, G:cariñosamente conocida como "gran G" para distinguirla de la pequeña g, la aceleración debida a la gravedad de la Tierra - es una constante fundamental de la naturaleza. Completa la famosa ecuación que describe la fuerza gravitacional de atracción entre dos objetos cualesquiera en el universo, ya sean planetas, personas o material de oficina.

Los científicos han estado tratando de comprender la fuerza de la gravitación desde que Isaac Newton identificó por primera vez la relación entre masas y fuerza gravitacional hace más de 300 años. Pero a pesar de siglos de medición, la constante todavía solo se conoce a 3 cifras significativas, mucho menos que cualquier otra constante de la naturaleza. La masa del electrón, por ejemplo, se conoce a unos 8 dígitos.

Es más, a medida que las mediciones de G se vuelven cada vez más sofisticadas, en lugar de converger en un solo valor, los resultados divergen desesperadamente unos de otros, con barras de error que generalmente no se superponen.

"Big G ha sido un problema frustrante, "dice Carl Williams, Subdirector del Laboratorio de Medición Física (PML) del NIST. "Cuanto más trabajemos para concretarlo, cuanto mayores parecen ser las divergencias. Este es un tema con el que ningún metrólogo puede estar satisfecho ".

A pesar de la falta de convergencia, la mayoría de estos resultados dispares están comenzando a agruparse en torno a un valor. Pero hay algunos valores atípicos notables, como un par de experimentos muy respetados realizados durante los últimos 15 años por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), la organización intergubernamental que supervisa las decisiones relacionadas con la ciencia y los estándares de medición.

"Hay una especie de gran debate:¿es que realmente no entendemos la gravedad como una teoría?" dice el investigador invitado postdoctoral del NIST Julian Stirling. "Existe una pequeña posibilidad de que tal vez nuestra comprensión de la gravedad sea incorrecta y haya algo ligeramente diferente en estos experimentos que haga que el valor sea diferente al de otros experimentos de gran G," lo cual sería realmente interesante ".

Sin embargo, la respuesta menos emocionante pero más probable, él dice, es que se han infiltrado errores sistemáticos en las mediciones de BIPM. Así que hace dos años los científicos de BIPM y otros líderes en los esfuerzos mundiales para medir la gran G se reunieron y decidieron que estas pruebas deberían realizarse nuevamente con el mismo equipo, pero en una instalación diferente y con un equipo diferente.

Los investigadores del NIST asumieron el desafío y actualmente se están preparando para repetir el experimento BIPM utilizando el aparato original. con algunas actualizaciones.

El equilibrio de torsión

G es difícil de medir en parte porque es extremadamente débil en comparación con otras fuerzas fundamentales. Su valor es minúsculo, aproximadamente 6.67 x 10 ^-11 metro ³ kg ^-1 s ^-2 , un billón de billones de billones de veces más débil que la fuerza electromagnética.

"La fuerza gravitacional entre dos sedanes estacionados a un espacio de distancia es aproximadamente 100 mil veces más débil que la fuerza para separar dos notas autoadhesivas, "Dice Stirling." Hay una razón por la que esta es la menos conocida de todas las constantes fundamentales ".

Para sospechar de G, el experimento BIPM utilizó un equilibrio de torsión, un método popular para medir G y que fue utilizado en las primeras mediciones por el científico inglés Henry Cavendish en 1798. Este tipo de dispositivo funciona midiendo la fuerza gravitacional entre masas relativamente pequeñas, normalmente esferas o cilindros de metal que puede sostener en la mano, midiendo la torsión o torsión de un alambre o tira de metal.

La versión de BIPM es mucho más sofisticada que la balanza Cavendish original. Utiliza ocho masas, cilindros de una aleación de cobre y telurio. Cuatro están sentados en un carrusel redondo que se puede girar entre mediciones. Dentro del carrusel las otras cuatro misas, Ligeramente más pequeño, sentarse en un disco suspendido de la parte superior de la balanza por una tira de cobre-berilio de 2,5 mm de ancho y 160 mm (aproximadamente 6 pulgadas) de largo, con aproximadamente el grosor de un cabello humano.

Cuando las masas externas se colocan de manera que queden exactamente a la par con las masas internas, hay equilibrio. Sin embargo, cuando las masas exteriores en su carrusel se vuelvan a una nueva orientación, las masas interiores sienten un tirón neto hacia ellas. La fuerza gravitacional hace que las masas internas migren hacia las masas externas, torciendo la tira que los suspende. La gravedad de la Tierra no afecta las mediciones, ya que la atracción entre las masas ocurre perpendicular a la atracción gravitacional del planeta.

Se conoce la cantidad de fuerza necesaria para torcer la tira una cierta cantidad. Entonces, midiendo la distancia física que las masas internas viajan hacia las masas externas estacionarias, usando luz láser y un espejo en la parte superior de la tira, los científicos pueden calcular qué tan grande es la atracción gravitacional entre ellos. Y, con esa información, pueden llenar los huecos en la ecuación de gravedad de Newton para calcular G.

Medidas dimensionales en tiempo real

Por supuesto, Para medir la gran G, los investigadores también necesitan medir las otras cantidades en la ecuación gravitacional de Newton. Eso significa conocer la masa exacta y la ubicación de todas sus partes, "cada hoyo, cada misa, y cada tornillo, "Dice Stirling. Y eso requiere una máquina de medición de coordenadas (CMM).

Las MMC se utilizan para medir dimensiones con alta precisión. Esta CMM en particular es una inmensa mesa de granito con una sonda táctil en el techo, que se utilizará para detectar las distancias entre puntos en un objeto en tres dimensiones con una incertidumbre de medición potencialmente de media millonésima de metro.

Las piezas individuales de la balanza de torsión serán probadas por una MMC antes de que comiencen los experimentos. Pero la CMM también se utilizará durante el experimento real, para asegurar que las distancias entre los cilindros sean conocidas con alta precisión. Cada gran medida de G se realiza en vacío, de modo que solo se pueda acceder a los cilindros exteriores con la tapa de vacío puesta.

En este momento, el equipo todavía se está preparando para su ejecución experimental. Este verano, Se entregó una nueva CMM al NIST que era lo suficientemente grande para ser utilizada en el experimento. De hecho, la MMC era tan grande que hubo que bajarla en pedazos a través de un respiradero por encima del nivel del laboratorio, unos cuatro pisos bajo tierra, y se tuvo que quitar una pared para que entrara en la sala de medición.

Aunque todo el hardware es de BIPM, hay algunas actualizaciones. "Tuvimos que reemplazar muchos componentes electrónicos, "Dice Stirling. Y también las computadoras han cambiado un poco en los últimos 15 años".

"Estamos muy emocionados, y también un poco aterrorizado, para ver si podemos solucionar esta discrepancia, e identificar de manera convincente el sesgo de medición o la física no contabilizada, o tal vez incluso la nueva física, que explica los resultados existentes, "dice Jon Pratt, Jefe de la División de Medición Cuántica de PML. "La parte aterradora es obvia:el sesgo o la física no contabilizada en este experimento es de lejos la explicación más probable, sin embargo, serán muy difíciles de encontrar, ¡ya que algunos de los mejores científicos de medición del mundo ya han hecho todo lo posible para eliminarlos! La parte emocionante para nosotros es quizás menos obvia:en pocas palabras, resolver este tipo de discrepancias es de lo que se trata la ciencia, y algo por lo que vivimos en NIST ".

Las mediciones comenzarán este invierno.