Segons la llegenda, el primer experiment que demostrava que tots els objectes van caure al mateix ritme, independentment de la massa, va ser realitzat per Galileu Galilei dalt de la torre inclinada de Pisa. Tots dos objectes caiguts en un camp gravitatori, en absència de (o descuidats) resistència a l'aire, acceleraran fins a terra al mateix ritme. Això va ser posteriorment codificat com a part de les investigacions de Newton en aquest tema. (Getty Images)

Els científics admeten, per vergonya, que no sabem quina és la força de la gravetat

Tota teoria física té constants. La constant gravitatòria és notablement incerta.

Quan vam començar a formular lleis físiques, ho vam fer empíricament: mitjançant experiments. Deixeu caure una bola d'una torre, tal com ho hagués fet Galileu, i podeu mesurar tant la distància que cau com el temps que triga a tocar terra. Allibereu un pèndol i podeu trobar una relació entre la longitud del pèndol i la quantitat de temps que triga a oscil·lar. Si ho feu per diverses distàncies, longituds i temps, veureu que sorgeix una relació: la distància d’un objecte que cau és proporcional al temps quadrat; el període d’un pèndol és proporcional a l’arrel quadrada de la longitud del pèndol.

Però per convertir aquestes proporcionalitats en un signe igual, cal que tingueu aquesta raó constant.

Les òrbites dels planetes del sistema solar interior no són exactament circulars, però són força properes, amb Mercuri i Mart amb les majors sortides i les el·líptiques més grans. A mitjans del segle XIX, els científics van començar a notar les sortides en el moviment de Mercuri a partir de les prediccions de la gravetat newtoniana, una lleugera partida que només va ser explicada per la Relativitat General al segle XX. La mateixa llei gravitacional, i constant, descriu els efectes de la gravetat a totes les escales, des de la Terra fins al cosmos. (NASA / JPL)

En aquests exemples, així com en molts altres, aquesta constant de proporcionalitat està relacionada amb G, la constant gravitatòria. La Lluna orbita la Terra, els planetes orbiten el Sol, es doblega la llum a causa dels lents gravitacionals i els cometes perden energia al escapar del Sistema Solar tot en proporció a G. Fins i tot abans que aparegués Newton, als anys 1640 i 1650, científics italians Francesco Grimaldi i Giovanni Riccioli van fer els primers càlculs de la constant gravitacional, cosa que va ser la primera constant fonamental mai determinada: fins i tot abans de la determinació d’Ole Rømer de la velocitat de la llum el 1676.

La llei de Newton de la gravitació universal ha estat substituïda per la relativitat general d'Einstein, però s'ha basat en el concepte d'una acció (força) instantània a distància i és increïblement senzilla. La constant gravitatòria d'aquesta equació, G, és encara relativament poc coneguda. (USUARI COMÚ DE WIKIMEDIA DENNIS NILSSON)

Quan agafeu dues masses a l’Univers i les situeu a prop de l’altra, s’atrauen. Segons les lleis de Newton, vàlides sota totes les condicions de massa més extrema (per a grans masses) i de distància (per a petites distàncies) de tota la natura, la força d’atracció està relacionada amb les dues masses, la separació entre elles i G, la constant gravitatòria. Al llarg dels segles, hem perfeccionat les mesures de moltes constants fonamentals a una precisió enorme. La velocitat de la llum, c, és coneguda exactament: 299.792.458 m / s. La constant de Planck, ha, que regeix les interaccions quàntiques, té un valor de 1.05457180 × 10 ^ -34 J⋅s, amb una incertesa de ± 0,000000013 × 10 ^ -34 J⋅s.

Però G? Aquesta és una història diferent completament.

Tant si es fa servir la formulació de gravetat de Newton o Einstein, la força de la força es determina en part pel valor d'una constant gravitacional, G, el valor de la qual ha de ser mesura empíricament i no es pot derivar de cap altra quantitat. (ESO / L. CALÇADA)

A la dècada de 1930, es va mesurar que G va ser de 6,67 × 10 ^ -11 N / kg² ²², després es va perfeccionar a la dècada de 1940 fins a 6,673 × 10 ^ -11 N / kg² ²², tots dos del científic Paul Heyl. Com és de suposar, els valors van anar millorant i millorant amb el temps, i les incerteses van baixar del 0,1% al 0,04% fins a només el 0,012% a finals dels 90, degut principalment al treball de Barry Taylor a NIST.

De fet, si traieu una còpia antiga del fulletó del grup de dades de partícules, on donen les constants fonamentals, podeu trobar un valor per a G que tingui un aspecte bo: 6.67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², amb una incertesa de només 0.00085 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

Els valors de les constants fonamentals, tal i com es coneixien el 1998 i publicats al fulletó del grup de dades de partícules de 1998. (PDG, 1998, BASAT EN ER COHEN I BN TAYLOR, MODIFICACIÓ REV. PHYS. 59, 1121 (1987))

Però després va passar una cosa curiosa.

Més tard aquell any, els experiments que es van realitzar van indicar un valor inconsistentment elevat amb aquests valors: 6.674 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Diversos equips, utilitzant diferents mètodes, obtenien valors de G que entraven en conflicte entre els nivells del 0,15%, més de deu vegades les incerteses denunciades anteriorment.

Com va passar això?

L’experiment original per mesurar amb precisió G, tal com ha estat dissenyat i publicat per Henry Cavendish, es basa en el principi d’un equilibri de torsió que es retorcerà i es desplaçarà en funció de l’atracció gravitatòria d’una massa propera i ben mesurada. (H. CAVENDISH, TRANSACCIONS FILOSOPFIQUES DE LA SOCIETAT ROYAL DE LONDRES, (PARTE II) 88 P.469–526 (21 de juny de 1798))

La primera mesura precisa de la constant gravitatòria, independent d’altres incògnites (com la massa del Sol o la massa de la Terra), només es va fer amb els experiments de Henry Cavendish a finals del segle XVIII. Cavendish va desenvolupar un experiment conegut com a equilibri de torsió, on una barra en miniatura va quedar suspesa per un filferro, perfectament equilibrat. Prop de cadascuna de les masses dels dos extrems hi havia dues masses més grans, que atrauria gravitatòriament les petites masses. La quantitat de torsió que va experimentar la barra en miniatura, sempre que es coneguessin les masses i les distàncies, ens permetria mesurar experimentalment G, la constant gravitatòria.

Malgrat molts avenços en la física durant els darrers 200+ anys, el mateix principi que es va fer servir en l’experiment original de Cavendish continua sent utilitzat avui dia en les mesures de G. No hi ha, a partir del 2018, cap tècnica de mesurament o configuració experimental que doni resultats superiors. . (BURKS DE CHRIS (CHETVORNO) / COMUNICATS DE WIKIMEDIA)

Se sospita molt que un dels principals factors en joc era el conegut factor psicològic de biaix de confirmació. Si tots els vostres companys obtenen mesures com 6.67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², és possible que espereu obtenir una cosa com 6.67224 × 10 ^ -11 N / kg² kgm², o 6.67293 × 10 ^ -11 N / kg² ²m², però si obteniu alguna cosa com 6.67532 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², probablement suposareu que hagueu fet alguna cosa malament.

Heu cercat possibles fonts d’error fins que n’heu trobat. I faríeu l’experiment una i altra vegada fins que aconseguissin alguna cosa raonable: una cosa que fos, almenys, coherent amb 6.67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

L’any 1997, l’equip de Bagley i Luther va realitzar un experiment d’equilibri de torsió que va donar un resultat de 6,674 x 10 ^ -11 N / kg² / m², cosa que es va prendre prou seriosament per posar en dubte la significació anteriorment denunciada de la determinació de G. (COMUNITATS DBACHMANN / WIKIMEDIA)

Per això va ser un xoc tan fort, el 1998, quan un equip amb molta cura va obtenir un resultat que es diferenciava d’un 0,15% espectacular dels resultats anteriors, quan es va afirmar que els errors d’aquests resultats anteriors eren més que un factor de deu per sota. aquesta diferència. NIST va respondre llançant les incerteses anteriorment indicades, i els valors es van veure sobtadament truncats per donar com a màxim quatre xifres significatives, amb incerteses molt més grans.

Els balanços de torsió i els pèndols de torsió, tots dos inspirats en l'experiment original de Cavendish, continuen liderant el camí en les mesures de G, superant la tècnica més recent dels experiments d'interferometria dels àtoms. De fet, la setmana passada, un equip de la Xina va assegurar obtenir la mesura més precisa de G encara amb dues mesures independents: 6.674184 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² i 6.674484 × 10 ^ -11 N / kg² ²m², amb incerteses d'11 part per milió de cadascuna.

Els dos mètodes de configuració experimental publicats a finals d’agost de 2018 a Nature, que van produir les mesures més precises (reclamades) de G fins ara. (Q. LIU ET AL., NATURA VOL. 560, 582–588 (2018))

Aquests valors podrien coincidir entre ells fins a dues desviacions estàndard, però no coincideixen amb altres mesures realitzades per altres equips durant els darrers 15 anys, que oscil·len entre 6.6757 × 10 ^ -11 N / kg² ²m² i fins a 6.6719 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Si bé les altres constants fonamentals són conegudes per precisions d’entre qualsevol lloc entre 8 i 14 dígits significatius, les incerteses són des de milers a milers de milions de vegades majors quan es tracta de G.

La transició atòmica de l’orbital 6S, Delta_f1, és la transició que defineix el mesurador, el segon i la velocitat de la llum. Tingueu en compte que les constants quàntiques fonamentals que descriuen el nostre Univers són conegudes per moltes milers de vegades de precisió superiors a G, la primera constant mai mesurada. (A. FISCHER et AL., EL DIARI DE LA SOCIETAT ACÚSTICA D'AMÈRICA (2013))

La constant gravitatòria de l’Univers, G, va ser la primera constant que es va mesurar mai. No obstant això, més de 350 anys després de la determinació del seu valor, és vergonyós el coneixement que és mal conegut, en comparació amb totes les altres constants. Utilitzem aquesta constant en tot un conjunt de mesures i càlculs, des d’ones gravitacionals fins a temporització de pulsacions fins a l’expansió de l’Univers. No obstant això, la nostra capacitat per determinar-la està arrelada en les mesures a petita escala realitzades aquí a la Terra. Les més petites fonts d’incertesa, des de la densitat dels materials fins a les vibracions sísmiques a tot el món, poden empènyer-se en els nostres intents per determinar-ho. Fins que no ho puguem millorar, hi haurà una incertesa inherent, incòmodament gran, a qualsevol lloc on sigui important el fenomen gravitatori. És el 2018 i encara no sabem quina és la gravetat en realitat.

Startrts With A Bang està ara a Forbes i es va publicar a Medium gràcies als nostres seguidors de Patreon. Ethan ha estat autor de dos llibres, Més enllà de la galàxia i Treknologia: La ciència de Star Trek de Tricorders a Warp Drive.