Por mais de dois séculos, os cientistas vêm tentando determinar um dos números mais importantes da física: a constante gravitacional universal, conhecida como “grande constante gravitacional”. GDefine a força da gravidade em todo o universo, afetando tudo, desde objetos que caem na Terra até o movimento das galáxias. No entanto, apesar da sua importância, os investigadores ainda não conseguem chegar a acordo sobre o seu valor exato.
Esta incerteza pesou fortemente sobre Stephen Schramminger, físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), enquanto se preparava para abrir um envelope lacrado contendo um número secreto chave. Por quase 10 anos, Schlamminger dedicou grande parte de sua carreira à medição de big data G Com extraordinária precisão. O número escondido no envelope permitirá que ele decifre os resultados da equipe.
Por que medir a gravidade é tão difícil
A gravidade pode moldar o universo, mas é surpreendentemente fraca em comparação com outras forças naturais fundamentais. Por exemplo, a força eletromagnética é muito mais forte. Mesmo um minúsculo ímã pode levantar um clipe de papel contra a força de todo o campo gravitacional da Terra.
Esta fraqueza representa um enorme desafio para o laboratório. Os cientistas devem medir as forças gravitacionais entre objetos relativamente pequenos, e essas forças são extremamente fracas. As massas utilizadas na experiência são aproximadamente 500 mil milhões de biliões de vezes mais pequenas que a da Terra, tornando a atração gravitacional entre elas extremamente difícil de detetar com precisão.
Pesquisadores passaram mais de 225 anos tentando melhorar medições em grande escala G Desde que Isaac Newton descreveu pela primeira vez a gravidade matematicamente. Apesar dos equipamentos cada vez mais sofisticados, os experimentos modernos ainda produzem respostas ligeiramente diferentes. A diferença é pequena, cerca de 1 parte em 10.000, mas maior do que a incerteza experimental esperada.
Isto levanta uma questão preocupante. Será que os cientistas ignoraram falhas subtis nas suas experiências ou há algo incompleto na nossa compreensão da própria gravidade?
Recriando um experimento de gravidade marcante
Para investigar esta diferença, Schlamminger e colegas decidiram Replicando um experimento altamente conceituado Concedido em 2007 pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) em Sèvres, França. O objetivo era, em princípio, simples: ver se uma equipe independente do NIST em Gaithersburg, Maryland, poderia obter o mesmo resultado.
Schramminger também queria evitar qualquer possível preconceito. Ele temia que saber o valor esperado pudesse afetar involuntariamente sua análise. Para evitar que isso acontecesse, ele pediu ao seu colega Patrick Abbott que embaralhasse alguns dos dados.
Abbott subtraiu secretamente um valor oculto de medições envolvendo algumas massas experimentais. Apenas Abbott sabe o número. Schramminger não tinha como saber o verdadeiro valor de seu experimento até abrir o envelope.
momento crítico
O envelope quase já havia sido aberto uma vez. Em 2022, Schlamminger estava pronto para publicar os resultados, mas parou no último minuto depois de perceber que efeitos sutis da pressão do ar poderiam afetar as medições. Ele atrasou a revelação e continuou a refinar a análise.
O momento finalmente chegou em 11 de julho de 2024, na Conferência Anual de Medição Eletromagnética de Precisão em Aurora, Colorado.
Schramminger ficou de fora da sessão matinal da conferência, preocupado com as flutuações de temperatura, mudanças de pressão e outros pequenos efeitos que poderiam distorcer os resultados. “Eu cruzei todos os i e todos os t no experimento”, disse ele.
Durante um discurso à tarde, ele abriu o envelope e leu o número oculto de Abbott. No início, ele se sentiu aliviado. Para que o experimento funcione conforme esperado, o valor secreto precisa ser grande e negativo.
Sim.
Mas com o passar do tempo, essa sensação de facilidade desapareceu. Esse número era demasiado grande para que os resultados do NIST correspondessem às experiências francesas anteriores.
A nova diferença do Big G
Após dois anos de análise detalhada, Schlamminger e seus colaboradores publicaram o Metrologia. suas medidas G é 6,67387×10-11 arroz3/kg/s20,0235% inferior à medição francesa.
Isto pode parecer trivial, mas os físicos levam esta diferença a sério. A maioria das outras constantes fundamentais possuem seis ou mais dígitos significativos e têm maior consistência.
A diferença não é tão grande a ponto de afetar o dia a dia. Isso não altera seu peso na balança de banheiro ou a forma como os fabricantes medem ingredientes como manteiga de amendoim em potes de 16 onças. No entanto, ao longo da história da ciência, pequenas inconsistências apontam por vezes para grandes descobertas e revelam lacunas ocultas nas teorias existentes.
Como os cientistas medem a gravidade
Tanto os experimentos do BIPM quanto do NIST dependem de um dispositivo chamado balança de torção, que detecta forças extremamente pequenas medindo o quanto as fibras finas se torcem.
A tecnologia remonta ao físico britânico Henry Cavendish, que conduziu um experimento inovador de gravidade em 1798. Cavendish suspendeu duas bolas de chumbo em um arame e colocou uma massa maior nas proximidades. A atração gravitacional entre eles faz com que as vigas suspensas girem levemente, torcendo os fios. Ao medir esse movimento, Cavendish estimou a força da gravidade.
As versões modernas utilizadas pelo BIPM e NIST são muito mais avançadas. O dispositivo consiste em oito blocos metálicos cilíndricos. Quatro cilindros maiores ficam em uma plataforma giratória, enquanto quatro objetos menores ficam pendurados em uma faixa interna de cobre-berílio, que é tão grossa quanto um fio de cabelo humano.
Quando a massa externa atrai a massa interna, a balança de torção gira e torce a fita. Medir este pequeno movimento pode fornecer uma estimativa do movimento maior G.
A equipe de pesquisa também utilizou uma segunda técnica envolvendo eletricidade. Os pesquisadores aplicaram uma voltagem aos eletrodos próximos à massa interna, criando forças eletrostáticas que neutralizam a gravidade. Ajustando cuidadosamente a tensão até que a balança parasse de girar, eles obtiveram outra medição independente G.
Testando a qualidade do cobre e da safira
A equipe de Schlamminger adicionou uma etapa extra ao experimento. Para determinar se o próprio material afetava as medições, eles repetiram o estudo usando massas de cobre e safira.
Os resultados foram quase idênticos, sugerindo que a composição da multidão não foi a causa da diferença.
Embora a experiência não tenha resolvido o mistério em torno do grande Go que acrescenta outro dado importante ao crescente conjunto de evidências.
“Toda medição é importante porque a verdade é importante”, disse Schlamminger. “Para mim, fazer medições precisas é uma forma de trazer ordem ao universo, independentemente de os números corresponderem ou não aos valores esperados”, acrescentou.
Schlamminger passou uma década trabalhando no assunto e diz que está pronto para seguir em frente.
“Deixarei este problema para a geração mais jovem de cientistas resolver”, acrescentou.
“Temos que seguir em frente.”
Grande G VS Pequeno G
A lei da gravitação universal de Newton inclui tanto “grandes G”E“ g minúsculo ”, mas descrevem coisas diferentes.
O g minúsculo refere-se à aceleração causada pela gravidade perto de objetos grandes como a Terra. Na superfície da Terra, g pequeno é aproximadamente 9,8 m/s2. Na lua, devido à pequena massa da lua e à fraca gravidade, o pequeno g é de apenas cerca de 1,62 m/s2.
grande Gpor outro lado, é considerado universal. Os cientistas acreditam que tem o mesmo valor em qualquer lugar do universo. Ele determina a força gravitacional entre dois objetos quaisquer, sejam planetas, pessoas ou pesos de laboratório.
As equações de Newton calculam a gravidade multiplicando duas massas, dividindo pelo quadrado da distância entre elas e depois multiplicando pelo G maiúsculo. Escrita matematicamente, esta lei é expressa como GM1arroz2/r2.
