Después de 10 años, científicos aún no logran entender la gravedad

Durante más de 200 años, la comunidad científica ha luchado por determinar uno de los números más cruciales de la física: la constante gravitacional universal, conocida como big G. Este valor define la fuerza de la gravedad en todo el universo, afectando desde la caída de objetos en la Tierra hasta el movimiento de las galaxias. Sin embargo, a pesar de su importancia, los investigadores aún no logran ponerse de acuerdo sobre su valor exacto.

Esta incertidumbre pesó sobre Stephan Schlamminger, un físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), mientras se preparaba para abrir un sobre sellado que contenía un número secreto crucial. Durante casi diez años, Schlamminger había dedicado gran parte de su carrera a medir big G con una precisión extraordinaria. El número oculto en el sobre finalmente le permitiría descifrar los resultados de su equipo.

La dificultad de medir la gravedad

A pesar de que la gravedad modela el cosmos, es sorprendentemente débil en comparación con otras fuerzas fundamentales de la naturaleza. Por ejemplo, el electromagnetismo es mucho más fuerte; incluso un pequeño imán puede levantar un clip de papel contra la atracción de la gravedad terrestre.

Esta debilidad se convierte en un gran desafío en el laboratorio. Los científicos deben medir la atracción gravitacional entre objetos relativamente pequeños, y esas fuerzas son increíblemente tenues. Las masas utilizadas en los experimentos son aproximadamente 500 mil billones de veces más pequeñas que la Tierra, lo que hace que la atracción gravitacional entre ellas sea extremadamente difícil de detectar con precisión.

Los investigadores han pasado más de 225 años tratando de mejorar las mediciones de big G desde que Isaac Newton describió la gravedad matemáticamente. A pesar de contar con equipos cada vez más avanzados, los experimentos modernos aún producen respuestas ligeramente diferentes. Las diferencias son mínimas, aproximadamente una parte en 10,000, pero son mayores de lo que se esperaban como incertidumbres experimentales.

Esto ha planteado una incómoda pregunta: ¿están los científicos pasando por alto fallas sutiles en sus experimentos, o hay algo incompleto en nuestra comprensión de la gravedad?

Reproduciendo un experimento histórico

Para investigar la discrepancia, Schlamminger y sus colegas decidieron replicar un experimento altamente respetado realizado en 2007 por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) en Sèvres, Francia. El objetivo era simple en principio: verificar si un equipo independiente en Gaithersburg, Maryland, podía obtener el mismo resultado.

Schlamminger también quería evitar cualquier posibilidad de sesgo. Le preocupaba que conocer el valor esperado pudiera influir inconscientemente en su análisis. Para prevenir eso, pidió a su colega Patrick Abbott que alterara parte de los datos.

Abbott restó en secreto un valor oculto de las mediciones que involucraban algunas de las masas experimentales. Solo Abbott conocía el número. Hasta que se abrió el sobre, Schlamminger no tuvo forma de saber el verdadero valor que había producido su experimento.

El momento de la verdad

El sobre casi se había abierto una vez antes. En 2022, Schlamminger estaba listo para revelar el resultado, pero se detuvo en el último momento al darse cuenta de que un sutil efecto de presión del aire podría influir en la medición. Decidió posponer la revelación y continuó refinando el análisis.

Finalmente, el 11 de julio de 2024, durante la Conferencia Anual sobre Mediciones Electromagnéticas de Precisión en Aurora, Colorado, llegó el momento.

Schlamminger se saltó las sesiones de la mañana de la conferencia, preocupado por las fluctuaciones de temperatura, cambios de presión y otros efectos diminutos que podrían distorsionar los resultados. "Realmente había cuidado cada detalle del experimento", comentó.

Durante su presentación de la tarde, abrió el sobre y leyó el número oculto de Abbott. Al principio, sintió alivio. El valor secreto necesitaba ser grande y negativo para que el experimento coincidiera con las expectativas.

Y lo fue.

Sin embargo, a medida que avanzaba el día, ese alivio se desvaneció. El número era demasiado grande para que los resultados del NIST coincidieran con el experimento francés anterior.

Una nueva discrepancia en big G

Después de dos años adicionales de análisis detallados, Schlamminger y sus colaboradores publicaron sus hallazgos en Metrologia. Su valor medido para G fue de 6.67387x10^-11 metros³/kilogramo/segundo², que es un 0.0235% más bajo que la medición francesa.

Esto puede sonar insignificante, pero los físicos toman tales diferencias muy en serio. La mayoría de las otras constantes fundamentales son conocidas con seis o más cifras significativas y con mucha mayor concordancia.

La discrepancia no es lo suficientemente grande como para afectar la vida cotidiana. No cambiará su peso en una balanza de baño ni alterará cómo los fabricantes miden ingredientes como la mantequilla de maní para un frasco de 16 onzas. Sin embargo, a lo largo de la historia científica, pequeñas inconsistencias a veces han apuntado a grandes descubrimientos y han revelado vacíos ocultos en teorías existentes.

Cómo los científicos miden la gravedad

Tanto los experimentos del BIPM como del NIST dependieron de un dispositivo llamado balance de torsión, que detecta fuerzas extremadamente pequeñas midiendo cuánto se retuerce una fibra delgada.

La técnica se remonta al físico inglés Henry Cavendish, quien realizó un experimento pionero sobre gravedad en 1798. Cavendish suspendió dos esferas de plomo de un alambre y posicionó masas más grandes cerca. La atracción gravitacional entre ellas hizo que el haz suspendido rotara ligeramente, retorciendo el alambre. Al medir ese movimiento, Cavendish estimó la fuerza de la gravedad.

Las versiones modernas utilizadas por el BIPM y el NIST son mucho más avanzadas. Las configuraciones incluyeron ocho masas metálicas cilíndricas. Cuatro cilindros más grandes se colocaron en un carrusel giratorio, mientras que cuatro masas más pequeñas se suspendieron dentro de una cinta de cobre-berilio del grosor de un cabello humano.

A medida que las masas exteriores atraían a las interiores, el balance de torsión rotaba y retorcía la cinta. Medir ese movimiento diminuto proporcionó una estimación de big G.

Los equipos también utilizaron una segunda técnica que involucraba electricidad. Los investigadores aplicaron voltaje a electrodos cerca de las masas interiores, creando una fuerza electrostática que contrarrestaba la gravedad. Al ajustar cuidadosamente el voltaje hasta que el balance dejara de rotar, obtuvieron otra medición independiente de G.

Probando masas de cobre y zafiro

El equipo de Schlamminger añadió un paso adicional al experimento. Para determinar si el material en sí podía influir en la medición, repitieron el estudio utilizando masas de cobre y zafiro.

Los resultados fueron casi idénticos, lo que sugiere que la composición de las masas no fue responsable de la discrepancia.

Aunque el experimento no resolvió el misterio que rodea a big G, agregó otro punto de datos importante al creciente cuerpo de evidencia.

"Cada medición es importante, porque la verdad importa", afirmó Schlamminger. "Para mí, hacer una medición precisa es una forma de poner orden en el universo, ya sea que el número concuerde o no con el valor esperado", añadió.

Después de pasar una década persiguiendo el problema, Schlamminger afirmó que estaba listo para seguir adelante.

"Dejaré que las generaciones más jóvenes de científicos trabajen en el problema", agregó. "Debemos seguir adelante".

La diferencia entre big G y little g

La ley de gravedad de Newton contiene tanto un big G como un little g, pero describen cosas diferentes.

El little g se refiere a la aceleración causada por la gravedad cerca de un objeto grande como la Tierra. En la superficie de la Tierra, el little g es de aproximadamente 9.8 m/s². En la Luna, donde la gravedad es más débil debido a que la Luna tiene menos masa, el little g es de solo 1.62 m/s².

El big G, por 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, ya sea que se trate de planetas, personas o pesos de laboratorio.

La ecuación de Newton calcula la fuerza gravitacional multiplicando dos masas, dividiendo por el cuadrado de la distancia entre ellas y multiplicando por big G. Matemáticamente, la ley se expresa como Gm₁m₂/r².

Lectura rápida

¿Qué se descubrió?
Un equipo del NIST, liderado por Stephan Schlamminger, abrió un sobre sellado que contenía un número clave para medir la constante gravitacional.

¿Quién realizó la investigación?
La investigación fue realizada por el físico Stephan Schlamminger y su equipo en el NIST.

¿Cuánto tiempo duró el estudio?
El estudio se llevó a cabo durante casi 10 años.

¿Dónde se llevó a cabo el experimento?
El experimento se realizó en el NIST, ubicado en Gaithersburg, Maryland.

¿Por qué es importante medir la gravedad?
La constante gravitacional big G es fundamental para entender la fuerza de gravedad en el universo y su influencia en diversos fenómenos.