Se você gasta tempo em círculos de pesquisa de física, você deve ter ouvido falar da grande controvérsia G.

A constante universal da gravitação, G - carinhosamente conhecido como "grande G" para distingui-lo do pequeno g, a aceleração devido à gravidade da Terra - é uma constante fundamental da natureza. Ele completa a famosa equação que descreve a força gravitacional de atração entre quaisquer dois objetos no universo, sejam planetas, pessoas ou suprimentos de escritório.

Os cientistas têm tentado compreender a força da gravitação desde que Isaac Newton identificou pela primeira vez a relação entre as massas e a força gravitacional, há mais de 300 anos. Mas apesar de séculos de medição, a constante ainda é conhecida apenas por 3 algarismos significativos, muito menos do que qualquer outra constante da natureza. A massa do elétron, por exemplo, é conhecido por cerca de 8 dígitos.

Além disso, conforme as medições G se tornam cada vez mais sofisticadas, em vez de convergir para um único valor, os resultados divergem enlouquecidamente um do outro, com barras de erro que geralmente não se sobrepõem.

"Big G tem sido um problema frustrante, "diz Carl Williams, Vice-Diretor do Laboratório de Medição Física do NIST (PML). "Quanto mais trabalho fazemos para resolver isso, quanto maiores parecem ser as divergências. Este é um problema com o qual nenhum metrologista pode ficar satisfeito. "

Apesar da falta de convergência, a maioria desses resultados díspares está começando a se agrupar em torno de um valor. Mas existem alguns outliers perceptíveis, como um par de experimentos respeitados conduzidos nos últimos 15 anos pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM), a organização intergovernamental que supervisiona as decisões relacionadas à ciência e aos padrões de medição.

"Há uma espécie de grande debate:será que realmente não entendemos a gravidade como uma teoria?" diz o pesquisador convidado de pós-doutorado do NIST, Julian Stirling. "Há uma pequena chance de que talvez nosso entendimento da gravidade esteja errado e há algo ligeiramente diferente sobre esses experimentos que faz com que o valor seja diferente de outros grandes experimentos G, o que seria muito interessante. "

No entanto, a resposta menos emocionante, mas mais provável, ele diz, é que erros sistemáticos se infiltraram nas medições do BIPM. Então, dois anos atrás, os cientistas do BIPM e outros líderes nos esforços mundiais para medir big G se reuniram e decidiram que esses testes deveriam ser conduzidos novamente com o mesmo equipamento, mas em uma instalação diferente e com uma equipe diferente.

Os pesquisadores do NIST aceitaram o desafio e atualmente estão se preparando para repetir o experimento BIPM usando o aparelho original, com algumas atualizações.

A balança de torção

G é difícil de medir em parte porque é extremamente fraco em comparação com outras forças fundamentais. Seu valor é minúsculo, cerca de 6,67 x 10 ^-11 m ³ kg ^-1 s ^-2 , um trilhão de trilhões de trilhões de vezes mais fraco do que a força eletromagnética.

"A força gravitacional entre dois sedãs estacionados em um espaço é aproximadamente 100 mil vezes mais fraca do que a força para separar dois post-its, "Stirling diz." Há uma razão pela qual esta é a menos conhecida de todas as constantes fundamentais. "

Para sacar G, o experimento BIPM usou uma balança de torção, um método popular para medir G e que foi usado nas primeiras medições pelo cientista inglês Henry Cavendish em 1798. Este tipo de dispositivo funciona medindo a força gravitacional entre massas relativamente pequenas, normalmente esferas de metal ou cilindros que você pode segurar na mão, medindo a torção ou torção de um fio ou tira de metal.

A versão do BIPM é muito mais sofisticada do que a balança Cavendish original. Ele usa oito massas, Cilindros em liga de cobre e telúrio. Quatro estão sentados em um carrossel redondo que pode ser girado entre as medições. Dentro do carrossel, as outras quatro massas, ligeiramente menor, sentar em um disco suspenso no topo da balança por uma tira de cobre-berílio de 2,5 mm de largura e 160 mm (aproximadamente 6 polegadas) de comprimento, com aproximadamente a espessura de um cabelo humano.

Quando as massas externas são colocadas de modo que fiquem exatamente iguais às massas internas, existe equilíbrio. Contudo, quando as massas externas em seu carrossel são viradas para uma nova orientação, as massas internas sentem uma rede sendo puxada em sua direção. A força gravitacional faz com que as massas internas migrem em direção às massas externas, torcendo a tira que os suspende. A gravidade da Terra não afeta as medições, já que a atração entre as massas acontece perpendicularmente à atração gravitacional do planeta.

A quantidade de força necessária para torcer a tira em certa quantidade é conhecida. Portanto, ao medir a distância física que as massas internas viajam em direção às massas externas estacionárias, usando luz laser e um espelho no topo da tira, os cientistas podem calcular o quão grande é a atração gravitacional entre eles. E, com essa informação, eles podem preencher as lacunas na equação da gravidade de Newton para calcular o grande G.

Medições dimensionais em tempo real

Claro, para medir o grande G, os pesquisadores também precisam medir as outras quantidades na equação gravitacional de Newton. Isso significa saber a massa e localização exata de todas as suas partes, "cada buraco, cada missa, e cada parafuso, "Stirling diz. E isso requer uma máquina de medição por coordenadas (CMM).

CMMs são usados ​​para medir dimensões com alta precisão. Este CMM em particular é uma mesa de granito imensa com uma sonda de toque superior, que será usado para detectar as distâncias entre pontos em um objeto em três dimensões com incerteza de medição potencialmente meio milionésimo de um metro.

As peças individuais da balança de torção serão testadas por um CMM antes do início dos experimentos. Mas o CMM também será usado durante o experimento real, para garantir que as distâncias entre os cilindros sejam conhecidas com alta precisão. Cada grande medição G ocorre no vácuo, portanto, apenas os cilindros externos são acessíveis com a tampa de vácuo colocada.

No momento, a equipe ainda está se preparando para a corrida experimental. Este Verão, um novo CMM foi entregue ao NIST que era grande o suficiente para ser usado no experimento. Na verdade, o CMM era tão grande que teve que ser abaixado em pedaços através de um respiradouro acima do nível do laboratório, cerca de quatro andares abaixo do solo, e uma parede teve que ser removida para entrar na sala de medição.

Embora o hardware seja todo do BIPM, existem algumas atualizações. "Tivemos que substituir muitos componentes eletrônicos, "Stirling diz." E também os computadores mudaram um pouco nos últimos 15 anos. "

"Estamos extremamente entusiasmados, e também um pouco apavorado, para ver se podemos resolver essa discrepância, e identificar de forma convincente o viés de medição ou física inexplicada - ou talvez até uma nova física - que explica os resultados existentes, "diz Jon Pratt, Chefe da Divisão de Medição Quântica da PML. "A parte aterrorizante é óbvia:preconceito ou física não explicada neste experimento é de longe a explicação mais provável, no entanto, eles serão extremamente difíceis de encontrar, já que alguns dos melhores cientistas de medição do mundo já fizeram o possível para eliminá-los! A parte empolgante para nós talvez seja menos óbvia:simplesmente, resolver esse tipo de discrepância é a essência da ciência, e pelo que vivemos no NIST. "

As medições começarão neste inverno.