La búsqueda de 10 años de un científico para calcular la fuerza de la gravedad

La búsqueda de 10 años de un científico para calcular la fuerza de la gravedad

Por Emma Gómez editado por Clara Moskowitz

Después de 10 años de minuciosas mediciones, el físico Stephan Schlamminger se encontraba en el parque acuático de un hotel esperando el momento que definiría su carrera. Su nueva medida de la constante gravitacional, o G, uno de los valores más fundamentales de la física, iba a ser revelada a sus compañeros esa tarde. Horas antes de su charla se refugió en medio del cloro.

“Estaba muy estresado”, dice. “Casi quería cancelarlo”.

Así como la gravedad de la Tierra atrae las pelotas de béisbol hacia el suelo después de lanzarlas, todas las masas ejercen una fuerza gravitacional sobre otras masas. Pero medir la constante que determina la intensidad de esa fuerza es complicado, incluso para los científicos experimentados. El 16 de abril, Schlamminger publicó una nueva medición de G, añadiendo otro dato en la búsqueda para determinar su valor exacto.

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Según la ley de gravitación universal de Isaac Newton, la fuerza gravitacional entre dos objetos es la constante gravitacional, G, multiplicada por el producto de las dos masas dividido por el cuadrado de la distancia entre ellas. En una ecuación, se ve como F = G(m1m2)/r2.

La fuerza de atracción gravitacional de la Tierra, que se puede encontrar usando esta ecuación, se conoce como “pequeña g”. Los científicos han medido esta constante con un alto grado de precisión y con poco desacuerdo: g = 9,80665 metros por segundo al cuadrado, o 9,80665 m/s2 en la superficie de la Tierra. Pero la “gran G” es diferente. Es la constante gravitacional que es la misma para todos los objetos, sin importar su masa. Las mediciones anteriores de G parecen un diagrama de dispersión cuando se juntan en un gráfico; el valor todavía tiene un grado bastante grande de incertidumbre, dice Schlamminger. Esto se debe a que es una fuerza muy débil y aislarla es muy difícil, incluso para nuestros instrumentos más avanzados.

“G es algo especial”, dice Schlamminger. “Es como la dama vestida de terciopelo rojo, siempre está envuelta en escándalo”.

El equipo de Schlamminger repitió los métodos de un estudio de 2014 de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) y esperaba obtener el mismo resultado. La herramienta de medición que utilizaron los investigadores en el nuevo estudio se llama balanza de torsión, que es una actualización moderna de un método centenario iniciado en el llamado experimento Cavendish. Ese experimento fue diseñado originalmente para determinar la densidad de la Tierra. En él, una delgada viga de madera con dos bolas de plomo en sus extremos estaba suspendida de un cable en su centro y luego una estructura que tenía bolas de plomo más pesadas y que por lo demás era idéntica se apilaba encima de la primera viga. El resultado parecía algo así como una veleta. Sin embargo, en lugar de que el viento empujara las bolas de plomo, su atracción gravitacional mutua hizo que se giraran una hacia la otra. Cuando se giraban, el ángulo del haz que equilibraba los pesos pequeños podía usarse para calcular el valor de G.

La versión de Schlamminger, que tuvo lugar en las instalaciones del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, Maryland, utilizó exactamente el mismo instrumento y procedimiento que la configuración BIPM de 2014. (BIPM lo envió al NIST en 2016). Los investigadores colocaron las masas en objetos planos en forma de placas llamados discos de torsión, con las masas más ligeras en el interior suspendidas por una delgada tira de cobre y berilio y las masas más pesadas ubicadas en un disco separado en el exterior. Luego colocaron todo el aparato dentro de una cámara de vacío. El acuerdo también fue una réplica de los métodos BIPM de 2014, pero el equipo le hizo algunas actualizaciones. Por ejemplo, los científicos repitieron el experimento con masas de cobre y zafiro para eliminar los efectos del tipo de material utilizado; reemplazó el disco de torsión del aparato para que la parte superior e inferior quedaran perfectamente paralelas; y reescribió el paquete de software del dispositivo para mejorar el control del instrumento.

El número final que calcularon para G, 6,67387 × 10–11m3kg–1s–2, fue inferior tanto a la medición BIPM como al estándar acordado internacionalmente por el Comité de Datos del Consejo Científico Internacional (CODATA), que se había determinado a partir de un grupo de las mejores mediciones tomadas hasta el momento. El resultado sugiere que todavía no conocemos G con tanta precisión como nos gustaría. “Creo que siempre vale la pena realizar una medición más”, dice Terry Quinn, exdirector del BIPM y primer autor del estudio de medición de 2014. Pero para la mayoría de los propósitos, el consenso CODATA para G “es tan bueno como necesitamos en este momento”, añade.

Medir G es útil porque prueba la calidad de los instrumentos de medición de precisión. Las pequeñas discrepancias entre las mediciones pueden incluso indicar un misterio de la física aún desconocido, dice Schlamminger. Pero el valor en sí, admite, no tiene mucho uso práctico. Tratar de determinar el valor exacto de G es apasionante en sí mismo.

“Me encanta tomar medidas. La ciencia de la medición es mi pasión”, dice Schlamminger. “Sé que para muchas personas es difícil de entender, pero lo es. Puede ser emocionante y muy gratificante”.

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