A constante gravitacional é a constante fundamental mais antiga da física e comemora seu 340º aniversário este ano. “Grande GA lei, como é carinhosamente chamada, foi colocada pela primeira vez no cerne da lei da gravitação de Newton na sua formulação em 1686, e foi formalmente publicada no livro de Newton um ano depois como uma estimativa que ainda não havia sido medida. princípios matemáticos da filosofia natural. Mas, ironicamente, depois de séculos, o G maiúsculo continua a ser a constante fundamental com o valor menos restrito.
Atualmente, os cientistas estimam uma faixa de valores para G grande, o que significa que não temos certeza se temos uma boa compreensão da gravidade ou se há algo faltando em nossas fórmulas. Stephan Schlamminger, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), tem tentado resolver esta situação durante a última década, mas o resultado final é um envelope contendo respostas desconhecidas, uma situação mais frequentemente associada ao Oscar ou a alguma outra premiação chamativa do que a experimentos de física.
Neste caso, porém, o drama é justificado. O grande G é tão predominante nas equações que usamos para descrever o universo que a incerteza em seu valor deixa os cientistas um tanto desconfortáveis, especialmente metrologistas como Schlamminger (cientistas que não têm nada a ver com o clima, mas que estudam medições).
“G é o segredo mais bem guardado da gravidade. Está em uma posição especial: é a constante fundamental mais antiga que conhecemos, Newton a escreveu em 1687, mas ainda é a menos precisa de todas”, disse Schramminger ao Space.com. “Na minha opinião, este é um dos maiores constrangimentos não resolvidos da física.”
Repensando o Grande G
Apresentando a constante gravitacional como parte da equação de apoio Lei da gravitação universal de Newtonque descreve a força atrativa que atua entre todas as partículas do universo e é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre os centros de massa dessas partículas. Embora as massas e distâncias utilizadas nestas equações sejam ajustáveis, o valor do grande G permanece fixo. Esta constante fundamental é, portanto, fundamental para calcular a força da gravidade em todo o universo.
É claro que em 1915 a teoria da gravidade de Newton foi substituída pela teoria geométrica da gravidade de Einstein, relatividade geralesta força fundamental origina-se da curvatura da estrutura espaço-tempo (a unidade quadridimensional do espaço e do tempo) causada por objetos com massa. No entanto, o Big G sobreviveu a esta mudança de paradigma, embora com um papel ligeiramente ajustado.
“Big G é uma constante fundamental. Portanto, está integrado ao nosso universo e tem um valor específico que é o mesmo em todo o tempo e espaço”, disse Schlamminger. “Ele fornece a força da gravidade na física newtoniana. Na teoria da gravidade de Einstein, determina a elasticidade do espaço-tempo. Quanto menor G, maior a resistência. tempo e espaço É torcido ou deformado por objetos massivos, como estrelas ou planetas. “
O físico Henry Cavendish mediu G grande pela primeira vez em 1798. Cavendish foi capaz de medir a força gravitacional entre bolas de chumbo grandes e pequenas, calculando assim a densidade da Terra e chegando ao primeiro valor preciso para G grande.
No entanto, mesmo com os avanços nos equipamentos científicos e no poder computacional nos últimos 227 anos, as medições do Big G continuam extremamente difíceis.
“A gravidade é de longe a mais fraca das quatro forças fundamentais, o que torna o isolamento e a medição precisos extremamente difíceis. Não se pode proteger a gravidade da mesma forma que se protegem os campos elétricos ou magnéticos”, disse Schramminger. “Tudo sempre afeta um ao outro.”
Schramminger explicou que, diferentemente do que acontece com a maioria dos experimentos de física, onde os cientistas podem, em suas palavras, “aumentar o sinal”, os pesquisadores só podem trabalhar com o que a gravidade tem a oferecer.
“Agora temos medições de 17 G, mas elas ainda estão mais espalhadas do que deveriam. Ninguém sabe por quê”, disse Schlamminger. “Ficamos perturbados com a enorme dispersão no conjunto de dados. Para os econometristas, é insatisfatório que as medições não estejam convergindo.”
envelope aberto
Para medir o Big G, Schramminger e uma equipe de cientistas replicaram o original Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) Em Sèvres, França, transferi-lo para o NIST em Gaithersburg, Maryland, era por si só arriscado, e os investigadores tiveram o cuidado de evitar armadilhas intelectuais.
“Queríamos ter certeza de que não cairíamos na armadilha do ‘aprisionamento intelectual’. Isso acontece quando você olha para uma medição e a compara com valores da literatura ou valores medidos anteriormente com o mesmo instrumento”, disse Schramminger. “Neste caso, você pode parar inconscientemente quando as medições corresponderem às suas expectativas. Isso não é malicioso ou intencional. Acontece em um nível subconsciente e é difícil de se proteger.”
Schlamminger teve uma ideia interessante para evitar isso: peça a um colega que defina um valor, ou “viés”, que é adicionado aos pesos usados no experimento sem que a equipe perceba. Isto significa que Schramminger e colegas não teriam conhecido o valor do seu Big G até que o preconceito fosse revelado.
“Pedimos ao grupo de multidão que adicionasse preconceito a todas as multidões que pesaram para nós. Esse preconceito foi armazenado em um envelope, e só abrimos o envelope quando estávamos convencidos de que os dados eram autoconsistentes”, disse Schramminger.
O envelope foi aberto em 11 de julho de 2024, dois anos depois de ter sido originalmente planejado para ser aberto em 2022. Esse atraso ocorreu porque Schlamminger percebeu que havia negligenciado um fator sutil, mas importante, relacionado à pressão do ar em seus cálculos.
O valor Big G da equipe é 0,000064 inferior ao valor atualmente mantido pelo Comitê de Dados do Conselho Internacional para a Ciência (CODATA).
“Se o seu relógio estiver atrasado em 0,000064 (segundos) após um ano, ele estará desativado em 34 minutos”, explicou Schlamminger.
Esta é uma pequena diferença, mas tem implicações interessantes. Por exemplo, se o valor da equipe para Big G estiver correto, então A terra tem massa Isto é 320.000.000.000.000.000.000 quilogramas a mais do que o valor atualmente aceito, ou aproximadamente 360 megatons.
“Quero ser claro: este mistério ainda não foi resolvido. Potenciais desacordos entre experimentos ainda existem, esperando que alguém os explique”, disse Schlamminger. “É isso que mantém o campo vivo.” Para este metrologista, dez anos estudando o Big G são suficientes.
“Agora estou desistindo constantes fundamentais. Essas medições levam anos ou até décadas e custam muita energia”, concluiu Schlamminger. “Para mim, estou voltando minha atenção para a medição precisa de grandezas elétricas, resistores e capacitores, e espero causar problemas semelhantes nessas áreas!”
A pesquisa da equipe é publicada na revista Metrologia.
