Un nuevo experimento profundiza el misterio sobre la constante gravitacional conocida como “la Gran G”
Científicos anunciaron los resultados de una búsqueda de una década para medir la constante gravitacional de Newton, la fuerza que mantiene nuestros pies en el suelo y a los planetas en órbita.
La iniciativa fue, en gran medida, un fracaso. El trabajo más ambicioso hasta la fecha para determinar esta constante fundamental, que define la intensidad de la atracción entre dos masas en cualquier lugar del universo, arrojó un valor que no coincide con hallazgos previos, incluidos los resultados de un experimento que buscaba replicar.
Stephan Schlamminger, el científico que llevó a cabo meticulosamente el experimento más reciente iniciado en 2016, lo describió como una experiencia “agotadora”. “Fue realmente como caminar por un valle oscuro”, agregó Schlamminger, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, Maryland.
Sin embargo, con el tiempo ha logrado darle un giro más positivo a su trabajo. “Ahora lo he dejado un poco atrás”, dijo. “Creo que cada medición es una oportunidad para aprender y cada una de ellas aporta luz a esta oscuridad”.
Las constantes fundamentales de la naturaleza son valores clave que definen el comportamiento de los fenómenos físicos en el universo y no cambian sin importar el lugar o el momento en el tiempo. Entre ellas se encuentran la velocidad de la luz y la constante de Planck, que desempeña un papel central en la física cuántica.
Estas constantes están “integradas en la estructura del universo”, dijo Schlamminger. “Es algo bastante hermoso, porque se mantienen iguales a lo largo de las generaciones. Si alguna vez hablaras con un extraterrestre, tendría el mismo concepto”.
Durante más de 225 años, los científicos han intentado medir la constante gravitacional, conocida como “la Gran G”. El científico británico Henry Cavendish realizó el primer experimento para medirla en 1798, más de 100 años después de que Isaac Newton descubriera la fuerza de la gravedad.
Sin embargo, los científicos no han logrado converger en una medición con un nivel de precisión comparable al de constantes como la velocidad de la luz (299.792.458 metros por segundo) o la constante de Planck, conocida con ocho decimales.
El Comité de Datos del Consejo Internacional de la Ciencia, o CODATA, emite valores recomendados de las constantes físicas fundamentales. Su valor numérico recomendado para la Gran G es una cifra de cuatro dígitos con una incertidumbre de medición de 22 partes por millón.
Dado que otras constantes de la naturaleza se conocen con seis o más cifras significativas y se consideran exactas, este valor, señaló, es un “motivo de vergüenza para el metrólogo activo”, es decir, un científico especializado en mediciones.
“Si tuvieras un reloj que se retrasa 22 partes por millón, medirías el año como si fuera 12 minutos más largo”, añadió.
El campo de la metrología —la ciencia de la medición— es importante, explicó, porque genera confianza en la ciencia, la economía y el comercio. “Es el tipo de ciencia que sustenta gran parte de nuestra sociedad y nadie lo nota”, dijo.
“Cuando pagas tu factura de electricidad, quieres asegurarte de pagar la cantidad correcta, ¿no? Hay personas que saben cómo medir voltajes, corrientes y potencia”.
La gravedad es notoriamente difícil de medir con precisión por tres razones, explicó Christian Rothleitner, físico del Instituto Nacional de Metrología de Alemania (Physikalisch-Technische Bundesanstalt), quien no participó en la investigación. En primer lugar, se trata de una fuerza relativamente débil.
“Percibimos la fuerza de la gravedad como muy fuerte, ya que tenemos que ejercer mucha fuerza para levantar algo en la Tierra”, dijo por correo electrónico.
En realidad, señaló, es mucho más débil que las otras tres fuerzas fundamentales —la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte— que mantienen unidos a los átomos y a los núcleos.
“Esto se puede ver fácilmente si observas un imán, que es relativamente pequeño, pero aun así ejerce una fuerza muy fuerte sobre objetos magnéticos”.
Otra razón por la que es difícil determinar la constante gravitacional es que, en un laboratorio, las masas utilizadas en el experimento deben caber en un espacio relativamente pequeño y restringido“y las masas pequeñas, a su vez, solo generan fuerzas gravitacionales pequeñas”.
Además, como la fuerza gravitacional es generada por todos los objetos, resulta “extremadamente difícil” asegurarse de que la fuerza que se mide en el laboratorio proviene realmente de la masa que se pretende estudiar.
“El problema con las mediciones de la Gran G es que los valores están muy dispersos, por lo que los resultados no son consistentes entre sí”, dijo Rothleitner. “Esto deja mucho margen para especular sobre el origen de esa inconsistencia”.
En más de cuatro décadas, ha habido al menos 16 intentos de medir la Gran G. En lugar de añadir una nueva medición a un conjunto de datos ya inconsistente, Schlamminger y sus colegas buscaron replicar un experimento realizado por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en Sèvres, Francia.
Si lograban reproducir de forma independiente los mismos resultados, el misterio en torno al valor exacto de la Gran G podría resolverse.
El experimento se basó en un equipo altamente sensible conocido como balanza de torsión, un dispositivo que detecta fuerzas diminutas midiendo el ángulo de torsión de masas metálicas suspendidas en una fibra delgada, que debe operarse en el vacío. La torsión no puede percibirse a simple vista, pero puede detectarse con sensores, lo que permite inferir la fuerza gravitacional.
A lo largo del experimento, Schlamminger dedicó años a calibrar el equipo y a resolver problemas relacionados con efectos físicos como la temperatura y la presión, que podían interferir con las mediciones, para demostrar que estos factores no afectaban los resultados.
Dado que el equipo estaba replicando un experimento previo, también tomó otra precaución para evitar cualquier sesgo personal, consciente o inconsciente, que pudiera influir en el resultado esperado, así como para impedir que el estudio se detuviera antes de tiempo.
Un colega que no participó en el trabajo añadió un número aleatorio a las masas para “cegar” a Schlamminger respecto a la medición real que estaba realizando. Este número se guardó en un sobre secreto, oculto para él hasta que el trabajo concluyó.
Tras un periodo inicial de entusiasmo, Schlamminger llegó a encontrar el trabajo desalentador. “Sentía que era como un generador de números aleatorios”, dijo. “Era como si fuera todos los días a un casino a trabajar”.
El sobre con el número secreto se abrió en el escenario de una conferencia en julio de 2024, y Schlamminger y su equipo finalmente conocieron los resultados reales de su trabajo. Su alegría inicial —el valor final de la Gran G estaba dentro del rango esperado— se desvaneció después, y dijo sentirse “un poco insatisfecho”.
El valor medido por el equipo para la Gran G fue de 6.67387×10⁻¹¹ metros cúbicos por kilogramo por segundo al cuadrado. La unidad refleja distancia, masa y movimiento: cómo funciona la gravedad. Este resultado es un 0,0235% menor que el del experimento que intentaban replicar y no coincide con la cifra de CODATA.
Schlamminger señaló que se trata de una diferencia notable —como medir la estatura de una persona y equivocarse por uno o dos milímetros—. “Es pequeño en el gran esquema de las cosas, pero resulta bastante embarazoso cuando se trata de estos conceptos fundamentales”, dijo. Un artículo científico que detalla el trabajo fue publicado el 16 de abril en la revista Metrologia.
El trabajo de Schlamminger podría proporcionar a los científicos herramientas para realizar mediciones precisas en otras áreas que involucran fuerzas extremadamente pequeñas, señaló Ian Robinson, investigador del Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido. Robinson no participó en la investigación, aunque asistió a la reunión en la que se presentaron los datos.
“Se encontraron problemas extremadamente complejos, se abordaron y se obtuvo un nuevo resultado”, dijo Robinson.
¿Qué podría explicar la inconsistencia en las mediciones de la Gran G?
Es posible que haya algo desconocido en el universo que esté impidiendo obtener un valor preciso. Pero, aunque esa posibilidad resulta interesante, Schlamminger, Robinson y Rothleitner coincidieron en que se trata de una hipótesis poco probable.
“Es altamente improbable que alguna física fundamental que no entendemos esté causando la discrepancia en los resultados”, dijo Robinson. “Es mucho más probable que un efecto —o varios— extremadamente pequeño, desconocido y difícil de detectar haya sesgado algunos resultados”.
Schlamminger sugirió que equipos mejor diseñados podrían mejorar la situación o que incluso podría haber habido algún error humano.
Aun así, aseguró que no considera que los últimos 10 años hayan sido en vano.
“La metrología de precisión no se trata únicamente de converger en un número, sino de exponer rigurosamente lo desconocido”, concluye su estudio.
La pasión de Schlamminger por este campo se mantiene intacta. En su antebrazo lleva tatuados los números de la constante de Planck, que fue fijada en 2019 en un trabajo en el que participó.
Schlamminger dijo que espera que los jóvenes investigadores interesados en la Gran G no se desanimen a continuar con esta búsqueda. Pero incluso si algún día se encuentra un valor numérico exacto, aseguró que nunca se tatuaría la Gran G: “es un número demasiado delicado”.
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