El equipo de investigación científica del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) anunció recientemente los resultados de un experimento de 10 años, que dio un nuevo valor a la constante gravitacional "G", una de las constantes más básicas y difíciles de medir con precisión en física, y reveló una posible razón para la "inexactitud" a largo plazo de las mediciones de la gravedad.
La gravedad es la más débil de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza, lo que la convierte en una de las cantidades físicas más difíciles de medir con precisión. El físico del NIST Stephan Schlamminger dijo que la comunidad científica ha estado rastreando la constante gravitacional durante más de 200 años, pero la dispersión de los 16 resultados de medición principales existentes sigue siendo muy grande, con una incertidumbre típica de aproximadamente 10 partes por millón, que es muy inferior al nivel de precisión de otras constantes básicas.
La constante gravitacional, también conocida como "Gran G" por la comunidad física, describe la intensidad de la fuerza gravitacional entre dos masas. Para la vida diaria del público, pequeños cambios en G no tendrán un impacto perceptible, pero para los físicos, fijar su valor preciso tanto como sea posible ayudará a comprender mejor la naturaleza de la gravedad y promoverá la exploración de una teoría física unificada.
En este trabajo, el equipo de Schramminger optó por replicar el camino experimental en lugar de revertirlo por completo y diseñar una nueva solución. Transportaron el mismo conjunto de equipos utilizados en un famoso experimento de constante gravitacional realizado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) en Francia en 2014 desde Francia al laboratorio del NIST en Gaithersburg, Maryland, EE. UU., en un intento de reproducir el experimento en diferentes entornos y examinar si había sesgos sistemáticos ocultos en los resultados de ese año.
El experimento BIPM en 2014 arrojó uno de los valores G más "desviados" en ese momento, por lo que se espera que el experimento de replicación revele los detalles detrás de resultados tan anormales. El equipo del NIST inició oficialmente el trabajo de medición en 2016. Todo el proyecto duró 10 años. No fue solo una medición científica, sino también un pulido a largo plazo de la tecnología de medición de fuerza débil de ultraprecisión.
Los últimos datos publicados muestran que el valor de la constante gravitacional dada por el equipo es6,67387±0,00038×10−11m3kg−1s−2, la incertidumbre estándar relativa es5,7×10−5. En comparación con los resultados experimentales del BIPM de 2014, este valor es aproximadamente un 0,0235 % menor. En el campo de la medición de alta precisión, esta diferencia no puede ignorarse. Al mismo tiempo, el resultado también es ligeramente inferior al valor G recomendado por CODATA 2018, pero aún es difícil explicar claramente el origen de la desviación.
Lo que es aún más innovador es que cuando los investigadores dedujeron repetidamente las condiciones experimentales, descubrieron un factor que antes a menudo se ignoraba: la influencia del aire residual en la cámara de vacío. Según el diseño, para eliminar la interferencia tanto como sea posible, el experimento debe realizarse en un entorno de vacío casi perfecto, pero el equipo descubrió que no importa cómo se bombee el gas, siempre quedará una pequeña cantidad de gas en el recipiente, formando la llamada "presión de vacío".
Este gas residual ejercerá una fuerza extremadamente pequeña sobre el dispositivo experimental, afectando así el valor G final medido. Sin embargo, este efecto no se ha incluido sistemáticamente en el análisis de muchos experimentos anteriores. Schramminger señaló que se espera que este descubrimiento ayude a explicar por qué los valores G dados por diferentes experimentos han sido inconsistentes durante mucho tiempo, pero aún es demasiado pronto para sacar conclusiones. También es necesario revisar cada plan experimental uno por uno para verificar cómo manejan detalles como el gas residual.
Al hablar de la diferencia entre los nuevos resultados y los valores reconocidos existentes, Schramminger dijo que el equipo actualmente tiende a creer que la desviación puede provenir de la superposición de múltiples efectos acumulativos en lugar de un solo factor. Sin embargo, aún no se han desmontado con precisión qué efectos y sus respectivas ponderaciones. Se han publicado artículos de investigación relevantes en Metrologia, una revista en el campo de la metrología, y se han verificado los datos de forma independiente.
Este trabajo no puso fin al debate sobre la constante gravitacional, pero demostró claramente la complejidad del problema: incluso si se necesitaron diez años, se reutilizó el mismo dispositivo y se trabajó cuidadosamente en diferentes laboratorios, el valor final de G fue significativamente diferente de los resultados anteriores. Desde la perspectiva de la comunidad científica, esto es a la vez un revés y una motivación: recuerda a los investigadores que si quieren comprender plenamente esta constante natural "más familiar y desconocida", se necesitan experimentos cada vez más detallados, persistencia a más largo plazo y capacidades de identificación de errores más agudas.