¿Cuál es el valor de G?
por Jennifer Lauren Lee, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología
El NIST ha participado en un nuevo impulso para abordar un problema persistente y creciente en la física: el valor de G. La constante de gravitación newtoniana , para calcular la fuerza de atracción de la gravedad entre objetos, tiene más de 300 años de antigüedad. Pero aunque los científicos han estado tratando de medir su valor durante siglos, G todavía solo se conoce a 3 cifras significativas. Por el contrario, otras constantes se han medido con mucha mayor precisión; la masa del electrón en kilogramos, por ejemplo, se conoce en aproximadamente 8 dígitos.i
Peor aún, cuantos más experimentos realicen los investigadores para determinar la constante gravitacional, más divergirán sus resultados.
El 9 y 10 de octubre de 2014, varias docenas de científicos de todo el mundo se reunieron en el NIST para considerar sus opciones.
«Todos estamos aquí porque tenemos un problema con G-y quiero decir, chico, tenemos un problema con G», dijo Carl Williams, Jefe de la División de Medición Cuántica de PML, al grupo reunido en la primera mañana de la reunión. «Este se ha convertido en uno de los problemas graves que la física debe abordar.»
La constante gravitacional se conoce familiarmente como» G grande «para distinguirla de» g pequeña», la aceleración debida a la gravedad de la Tierra.ii A pesar de su nombre, la G grande es pequeña, aproximadamente 6.67 x 10-11 m3 kg-1 s-2 – y comparativamente débil, aproximadamente un billón de billones de billones de veces más débil que la fuerza electromagnética responsable de colocar imanes de recuerdo en refrigeradores. Y su debilidad hace que sea difícil de medir.
Los experimentadores han utilizado una variedad de enfoques: péndulos oscilantes, masas en caída libre, vigas de equilibrio y balanzas de torsión que miden el par o la rotación de los cables que soportan masas atraídas a otras masas. Pero un gráfico de todos los resultados de los últimos 15 años revela una distribución relativamente amplia en valores que van desde aproximadamente 6.67 x 10-11 m3 kg-1 s-2.
Además, CODATA-el Comité de Datos para Ciencia y Tecnología del Consejo Internacional de Ciencia, que analiza los resultados de experimentos individuales y proporciona un conjunto de valores internacionalmente aceptados para constantes físicas fundamentales – ha tenido que aumentar la incertidumbre en su última recomendación para un valor de G debido a la divergencia de los experimentos.iii
En el taller del NIST, los 53 participantes acordaron unánimemente que se debía hacer algo. Recomendaron que una o más organizaciones establecieran reuniones anuales o semestrales centradas específicamente en la campaña para determinar el valor de big G con mayor precisión, y apoyaron la idea de centrarse en nuevos enfoques para la medición, como la configuración de interferometría atómica utilizada en un experimento reciente con átomos de rubidio refrigerados por láser.iv
Se sospecha que el principal culpable de estas discrepancias son las incertidumbres sistemáticas en las mediciones, y gran parte de la discusión se centró en la reducción del ruido. Una forma de abordar este problema, sintieron los participantes, es que diferentes equipos realicen experimentos independientes utilizando el mismo conjunto de aparatos. Dos grupos con resultados particularmente desviados ofrecieron sus equipos durante la reunión, a la espera de discusiones con los equipos que reutilizarán los recursos.
Los asistentes al taller expresaron un interés moderado en formar un consorcio, una organización que centralizara el proceso de búsqueda de consenso. Un beneficio potencial de un consorcio sería proporcionar a los miembros del NIST y de otros Institutos Nacionales de Medición (NMI) un medio para contribuir a su apoyo, por ejemplo, en forma de servicios de metrología de longitud de precisión.
«Claramente, no hay una respuesta correcta sobre cómo avanzar», dijo Williams. «Pero hay apoyo internacional para resolver la controversia de Big G, por lo que es un buen momento para nosotros en ese sentido.»
Más información: i La masa de un electrón es 9.109 382 91 (40) x 10-31 kg, donde el número entre paréntesis indica incertidumbre en los dos últimos dígitos.
ii Calcular la atracción gravitacional entre dos objetos requiere tomar el producto de dos masas y dividirlo por el cuadrado de la distancia entre ellos, luego multiplicar ese valor por G. La ecuación es F=Gm1m2/r2.
el último conjunto de iii CODATA, lanzado en 2010, recomendó un valor para G de 6.673 84(80) x 10-11 m3 kg-1 s-2 en comparación con su resultado anterior de 2006 de 6.674 28(67) x 10-11 m3 kg-1 s-2. Los valores entre paréntesis indican incertidumbre estándar (basada en la desviación estándar), en este caso más o menos 0,000 80 x 10-11 m3 kg-1 s-2 y más o menos 0,000 67 x 10-11 m3 kg-1 s-2 respectivamente.
iv En este experimento, los investigadores empujaron dos nubes de átomos de rubidio fríos a una cámara de vacío con luz láser. Los átomos se aceleraron de manera diferente dependiendo de la colocación de masas de alta densidad (pesos de tungsteno que totalizan aproximadamente 500 kg) dispuestas en varias configuraciones. Las diferencias en la aceleración debido a la atracción gravitacional de los átomos a las masas de tungsteno podrían recogerse en el patrón de interferencia de las nubes. G. Rosi, F. Sorrentino, L. Cacciapuoti, M. Prevedelli y G. M. Tino. Medición de precisión de la constante gravitacional newtoniana usando átomos fríos. Naturaleza. Vol. 510. 518–521. 26 de junio de 2014. DOI: 10.1038/nature13433
Proporcionados por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología