El diminuto campo gravitacional entre dos esferas de oro de 90 miligramos se acaba de medir por primera vez.
Esto lo convierte oficialmente en el campo gravitacional más pequeño jamás medido con éxito, un logro que podría abrir la puerta a la exploración de interacciones gravitacionales en el reino cuántico.
Hay un gran problema con las matemáticas que usamos para describir el Universo; en particular, la forma en que se comporta la gravedad. A diferencia de las otras tres fuerzas fundamentales del Universo (débil, fuerte y electromagnética), la gravedad no se puede describir con la modelo estandar de la física.
La teoría de Einstein de relatividad general es el modelo que usamos para describir y predecir interacciones gravitacionales, y funciona a la perfección en la mayoría de los contextos. Sin embargo, cuando llegamos a las escalas cuánticas, la relatividad general se rompe y mecánica cuántica
La relatividad general reemplaza a un modelo anterior, Ley de Newton de la gravitación universal, que no había incorporado la curvatura del espacio-tiempo. Afirma que la atracción gravitacional entre dos objetos es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre sus centros.
La física newtoniana funciona bien para la mayoría de las aplicaciones terrestres, incluso si tropieza un poco en un entorno astrofísico.
Pero, ¿qué pasa con las interacciones gravitacionales realmente pequeñas? Por lo general, estos han sido realmente difíciles de medir, porque es muy difícil desacoplarlos de los efectos de la gravedad de la Tierra y otras perturbaciones. La mayoría de las pruebas de gravedad en escalas más pequeñas han involucrado masas de al menos un kilogramo (2,2 libras).
Ahora, nos hemos vuelto considerablemente más pequeños. Para lograr esto, un equipo de científicos dirigido por Tobias Westphal de la Academia de Ciencias de Austria en Austria recurrió al siglo XVIII en busca de inspiración: a saber, el primer experimento para medir la gravedad entre dos masas y dar los primeros valores precisos para la constante gravitacional.
Esto fue diseñado por Henry Cavendish, un científico inglés que descubrió cómo anular efectivamente la gravedad de la Tierra. Creó un equilibrio de torsión, colocando pesos de plomo en cada extremo de una barra suspendida horizontalmente.
La atracción entre los pesos hizo que la varilla girara, torciendo el cable en el que estaba suspendida, lo que le permitió a Cavendish medir la gravedad en función de cuánto se retorció el cable. La configuración llegó a ser conocida como la Experimento Cavendish.
Westphal y sus colegas modificaron el Experimento Cavendish para sus pruebas de atracción gravitacional a pequeña escala. Sus masas eran pequeñas esferas de oro, cada una de solo 1 milímetro de radio y 92 miligramos de peso.
En estas escalas, el equipo necesitaba tener en cuenta una serie de fuentes de perturbaciones. Se unieron dos esferas de oro a una varilla de vidrio horizontal con una separación de 40 milímetros. Una de las esferas era la masa de prueba, la otra el contrapeso; una tercera esfera, la masa fuente, se movió cerca de la masa de prueba para crear una interacción gravitacional.
Se utilizó un escudo de Faraday para evitar que las esferas interactuaran electromagnéticamente, y el experimento se llevó a cabo en una cámara de vacío para evitar interferencias acústicas y sísmicas.
(Westphal et al., Nature, 2021)
Un láser rebotó en un espejo en el centro de la varilla hacia un detector. Cuando la varilla se retorció, el movimiento del láser en el detector indicó cuánta fuerza gravitacional se estaba ejerciendo, y mover la masa fuente permitió al equipo mapear con precisión el campo gravitacional generado por las dos masas.
Los investigadores encontraron que, incluso a estas pequeñas escalas, la ley universal de gravitación de Newton todavía se mantiene firme. A partir de sus medidas, incluso pudieron calcular el gravitacional, o constante de Newton (G), obteniendo un valor de solo el 9 por ciento del valor recomendado internacionalmente. Esta discrepancia puede, dijeron, ser cubierta por completo por las incertidumbres en su experimento, que no fue diseñado para medir G.
En total, su resultado muestra que en el futuro se pueden realizar mediciones incluso más pequeñas. Esto podría ayudar a los científicos a investigar el régimen cuántico y, potencialmente, ofrecer información sobre materia oscura, energía oscura, teoria de las cuerdasy campos escalares.
“Nuestro experimento proporciona una ruta viable para entrar y explorar un régimen de física gravitacional que implica pruebas de precisión de la gravedad con masas de fuentes microscópicas aisladas en la masa de Planck o por debajo de ella”. escribieron en su papel.
Esto abre posibilidades como un enfoque diferente para determinar la constante de Newton, que hasta ahora sigue siendo la menos bien determinada de las constantes fundamentales. En general, los experimentos de precisión miniaturizados pueden permitir pruebas de la ley de la gravedad del cuadrado inverso a escalas considerablemente más pequeñas que posible hoy “.
La investigación ha sido publicada en Naturaleza.
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