Durante más de dos siglos, los científicos han intentado determinar uno de los números más importantes de la física: la constante gravitacional universal, conocida como “masa”. GRAMO“Define la fuerza de gravedad en todo el universo, que afecta a todo, desde los objetos que caen a la Tierra hasta el movimiento de las galaxias. Sin embargo, a pesar de su importancia, los investigadores aún no pueden ponerse de acuerdo sobre su valor exacto.
La incertidumbre pesaba mucho sobre Stephan Schlumminger, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), mientras se preparaba para abrir un sobre sellado que contenía un importante número secreto. Durante unos 10 años, Schlaminger dedicó la mayor parte de su carrera a las grandes mediciones. GRAMO con notable precisión. El número escondido dentro del sobre le permitirá finalmente decodificar los resultados de su equipo.
¿Por qué es tan difícil medir la gravedad?
La gravedad puede dar forma al universo, pero es sorprendentemente débil en comparación con otras fuerzas fundamentales de la naturaleza. El electromagnetismo, por ejemplo, es muy fuerte. Incluso un pequeño imán puede levantar un clip contra la atracción de todo el campo gravitacional de la Tierra.
Esa debilidad plantea un gran desafío en el laboratorio. Los científicos deben medir la atracción gravitacional entre objetos relativamente pequeños, y esas fuerzas son increíblemente débiles. Las masas utilizadas en el experimento son aproximadamente 500 mil millones de billones de veces más pequeñas que las de la Tierra, lo que hace extremadamente difícil detectar con precisión la atracción gravitacional entre ellas.
Los investigadores han pasado más de 225 años perfeccionando mediciones a gran escala GRAMO Desde que Isaac Newton describió por primera vez matemáticamente la gravedad. A pesar de los equipos cada vez más avanzados, las pruebas modernas todavía producen respuestas ligeramente diferentes. Las diferencias son pequeñas, aproximadamente una parte en 10.000, pero son incertidumbres experimentales mayores que las esperadas.
Esto plantea una pregunta incómoda. ¿Están los científicos pasando por alto defectos sutiles en sus experimentos o hay algo incompleto en nuestra comprensión de la gravedad?
Recreando un experimento de gravedad histórico
Para investigar la discrepancia, Schlaminger y sus colegas decidieron Editado es una transcripción de prueba de gran prestigio. 2007 por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) en Sèvres, Francia. En principio, el objetivo era simple: ver si un equipo independiente del NIST en Gaithersburg, Maryland, podría Obtener el mismo resultado.
Schlaminger también quiso evitar cualquier posibilidad de parcialidad. Le preocupa que conocer el valor esperado pueda influir inconscientemente en su análisis. Para evitarlo, pidió a su colega Patrick Abbott que codificara algunos de los datos.
Abbott restó subrepticiamente un valor oculto de algunas mediciones de masa experimentales. Sólo Abbott conocía el número. Hasta que se abrió el sobre, Schlaminger no tenía forma de conocer el verdadero valor generado en sus experimentos.
momento de la verdad
El sobre había sido abierto casi una vez antes. En 2022, Schlaminger estaba listo para publicar los resultados, pero se detuvo en el último minuto al darse cuenta de que un efecto sutil de la presión del aire podría afectar las mediciones. Pospuso la revelación y continuó afinando el análisis.
Finalmente, el 11 de julio de 2024, en la Conferencia anual de Medidas Electromagnéticas de Precisión en Aurora, Colorado, llegó el momento.
Schlaminger se saltó las sesiones matutinas de la conferencia, preocupado por las fluctuaciones de temperatura, cambios de presión y otros pequeños efectos que podrían distorsionar los resultados. “Realmente puse todos los puntos sobre las íes y crucé todas las t en la prueba”, dijo.
Durante la presentación de la tarde, abrió el sobre y leyó el número oculto de Abbott. Al principio se sintió aliviado. El valor latente debe ser grande y negativo para que la prueba se ajuste a las expectativas.
Fue.
Pero a medida que avanzaba el día, ese alivio se desvaneció. Este número es demasiado alto para que los resultados del NIST coincidan con pruebas francesas anteriores.
Un nuevo desajuste en la Gran G
Después de dos años más de análisis detallado, Schlaminger y sus colegas publicaron sus hallazgos. Metrología. Por sus valores de medición. GRAMO era 6.67387×10-11 metro3/kg/seg2Lo que supone un 0,0235% menos que la medida francesa.
Esto puede parecer trivial, pero los físicos se toman en serio estas diferencias. La mayoría de las demás constantes fundamentales se conocen con seis o más cifras significativas y con mucha mayor coincidencia.
La diferencia no es lo suficientemente grande como para afectar la vida diaria. No cambiará su peso en la báscula del baño ni cambiará la forma en que los fabricantes miden ingredientes como la mantequilla de maní en un frasco de 16 onzas. Sin embargo, a lo largo de la historia científica, las pequeñas discrepancias a veces conducen a descubrimientos importantes y revelan lagunas ocultas en las teorías existentes.
Cómo miden los científicos la gravedad
Tanto la prueba BIPM como la NIST se basan en un dispositivo llamado balanza de torsión, que detecta fuerzas extremadamente pequeñas midiendo cuánto se retuerce una fibra delgada.
La técnica se remonta al físico inglés Henry Cavendish, quien llevó a cabo un experimento pionero sobre la gravedad en 1798. Cavendish suspendió dos esferas de plomo de un cable y colocó grandes masas cerca. La viga suspendida gira ligeramente debido a la atracción gravitacional entre ellas, torciendo el cable. Midiendo esa velocidad, Cavendish estimó la fuerza de gravedad.
Las versiones modernas utilizadas por BIPM y NIST eran mucho más avanzadas. Las configuraciones incluían ocho masas metálicas cilíndricas. Cuatro grandes cilindros estaban colocados sobre un carrusel giratorio, mientras que cuatro masas más pequeñas estaban suspendidas dentro de una cinta de cobre y berilio del grosor de un cabello humano.
A medida que las masas exteriores atraen a las interiores, el equilibrio de torsión hace que la cinta se retuerza y se retuerza. Esa pequeña medida de velocidad proporciona una gran estimación. GRAMO.
Los equipos también utilizaron una segunda estrategia relacionada con la electricidad. Los investigadores aplicaron voltaje a los electrodos cerca de la masa interna, creando una fuerza electrostática que contrarrestaba la gravedad. Ajustando cuidadosamente el voltaje hasta que la balanza dejó de girar, obtuvieron otra medición independiente. GRAMO.
Prueba de masas de cobre y zafiro.
El equipo de Schlaminger añadió un paso adicional al experimento. Para determinar si el material en sí podría afectar la medición, repitieron el estudio utilizando masas de cobre y zafiro.
Los resultados fueron casi idénticos, lo que implica que la composición de la población no es responsable de la discrepancia.
Sin embargo, el gran misterio sobre la prueba no ha sido resuelto GRAMOEsto añadió otro dato importante al creciente conjunto de pruebas.
“Cada medida importa, porque la verdad importa”, afirmó Schlaminger. “Para mí, una medición precisa es una forma de poner orden en el universo, independientemente de que el número coincida con el valor esperado o no”, añadió.
Después de pasar una década investigando el tema, Schlaminger dice que está listo para seguir adelante.
“Dejaré que la generación más joven de científicos trabaje en el problema”, añadió.
“Debemos seguir adelante”.
G grande frente a G pequeña
La ley de gravitación de Newton contiene tanto una “gran GRAMO” y una “g minúscula”, pero describen cosas diferentes.
La pequeña G se refiere a la aceleración debida a la gravedad de un objeto grande como la Tierra. En la superficie de la Tierra, g es de aproximadamente 9,8 m/s2. En la Luna, donde la gravedad es más débil porque la Luna tiene menos masa, la leve g es de sólo 1,62 m/s.2.
grande GRAMOPor otro lado, se considera universal. Los científicos creen que tiene el mismo valor en todas partes del universo. Determina la fuerza gravitacional entre dos objetos cualesquiera, ya sea que se trate del peso de un planeta, un ser humano o un laboratorio.
La ecuación de Newton calcula la fuerza gravitacional multiplicando las dos masas, dividiendo por el cuadrado de la distancia entre ellas y multiplicando por la G grande. Escrita matemáticamente, la fórmula se expresa como el pueblo1Señor2/r2.
