Todos somos conscientes de que las cosas pesan debido al efecto de la fuerza de la gravedad sobre su masa. Los físicos, además, generalmente sabemos que se puede explicar bastante bien esta interacción gracias a resultados e ideas de Einstein y su teoría de la relatividad, que se ocupa precisamente de cómo se mueven las cosas debido a su masa. Pero hay varios problemas con la fuerza de la gravedad.
Uno de ellos es que se pueden comprobar sus predicciones para masas grandes; con objetos del tamaño de estrellas y galaxias es relativamente fácil: basta con usar un telescopio y ponerse a mirar cómo se mueven galaxias, estrellas y demás. Hacer las comprobaciones de la fuerza de la gravedad para masas más pequeñas, sin embargo, empieza a representar un desafío por varios motivos. El principal es que la propia fuerza es muy pequeña, lo que implica que su valor es más difícil de distinguir del ruido, lo que complica mucho los experimentos. Por eso, casi todas las medidas de cómo funcionaba la fuerza de la gravedad a distancias muy cortas y masas pequeñas se habían realizado con masas del orden del kilogramo. Hasta ahora, que unos investigadores lograron extender el rango de medidas del efecto de la gravedad a masas de menos de 100 miligramos: ¡bajaron 5 órdenes de magnitud la cantidad de masa usada!
Pero, ¿por qué es esto importante? Pues muy sencillo: si hay algo que nos gusta a los físicos, es que nuestros modelos dejen de funcionar. Es decir, que dejen de predecir adecuadamente lo que se observa experimentalmente. Ello implica que hay nuevas relaciones, nueva física por descubrir. Y cuando eso no sucede, lo segundo mejor que puede pasar es que se confirme lo que ya teníamos claro. Por eso se realizan continuamente experimentos que empujan un poco más allá de lo ya comprobado leyes y resultados establecidos: para comprobar si las leyes conocidas pueden aplicarse más allá de sus fronteras conocidas.
La sección principal de este artículo comienza la revisión de la medida de la fuerza de la gravedad comentando que casi todas las comprobaciones que tenemos de la teoría de la Relatividad(1) se han realizado mediante la observación de objetos estelares con masas y distancias enormes: agujeros negros, estrellas, etc. Además, también en experimentos de laboratorio muy controlados en la Tierra, se ha podido comprobar que los efectos de la gravedad son los que la teoría predice para distancias por debajo de los milímetros. Explican que si bien se ha comprobado el efecto de un campo gravitatorio sobre objetos tan pequeños como para tener en cuenta efectos cuánticos(2), las fuentes del campo gravitatorio siempre eran grandes: o bien la propia Tierra, o bien del orden del kilogramo.
Así, experimentos donde las masas que provocaran el campo gravitatorio fueran mucho más pequeñas hay menos, y con masas de cientos de miligramos. Citan como ejemplos de estos últimos experimentos un experimento en el que un disco de platino con agujeros provocaba una oscilación en su campo gravitatorio que se medía desde una distancia de 52 µm, 52 · 10-6 m con una masa de aprox. 700 miligramos. Comentan que usar los esquemas habituales de medición basados en excitaciones resonantes o modulaciones periódicas del campo gravitatorio son difíciles para valores de masas más pequeños, principalmente por dos problemas. Por un lado, se hace muy difícil aislar los efectos de la gravedad de otro tipo de perturbaciones, especialmente de las vibraciones mecánicas y electromagnéticas. Además, la detección de resonancias mecánicas que se suele usar usar para medir la señal de la gravedad, no es capaz de discriminar entre las causas de la oscilación resonante, de forma que aislar los efectos de la fuerza gravitatoria es muy complicado.
Por eso ellos emplearon otro esquema experimental totalmente distinto, en el que combinaron la detección de la fuerza gravitatoria de un sistema muy bien equilibrado con una estimación independiente del error sistemático, lo que les permitió medir el efecto de la gravedad entre dos masas menores a 100 miligramos.
El experimento es muy ingenioso, como muestra el esquema de la figura siguiente.
La idea es generar una alteración en el campo gravitatorio de la bola mt con las oscilaciones de la masa ms, que se observarán con los cambio que provocan en la balanza de torsión(3) de la que forman parte las dos esferas unidas mt y ma. Con este sistema, las perturbaciones en el campo gravitatorio producidas por el movimiento de la esfera ms se pueden registrar en la balanza y comprobar si se corresponden con las que la gravedad implicaría para las masas conocidas.
Por supuesto, el experimento es muy complicado por la poca cantidad de masa que emplean. En primer lugar, para evitar las vibraciones producidas por las moléculas del aire, el experimento se realiza en una cámara de vacío. Además, para evitar las perturbaciones electrostáticas que pueden darse entre las dos esferas, la esfera de la balanza se encierra en una jaula de Faraday(4) y la cámara de vacío se recubrió de oro y conectó a tierra eléctrica para tratar de minimizar los efectos de las corrientes o cargas de cualquier tipo que puedan estar presentes. Para poder descartar la presencia de campos magnéticos que pudieran perturbar los resultados midieron las intensidades del campo magnético dentro de la cámara donde se realizó el experimento, obteniendo valores nulos o tan pequeños que no podrían afectar a los resultados.
Además, hay otros problemas de más difícil solución: dado que la fuerza gravitatoria tiene un alcance ilimitado, como los autores del artículo señalan, la simple presencia de gente alrededor del experimento, por no decir los coches u otros objetos másicos rodeando al mismo, pueden alterar la oscilación. Si esta alteración es lo suficientemente grande, no se va a poder medir nada. Para evitar eso, se tomaron los datos en días de vacaciones de Navidad y a horas en las que no habría nadie en el laboratorio. También hay que evitar vibraciones mecánicas, que en el caso de los elementos exteriores al experimento se minimizaron escogiendo las horas en las que había menos tráfico. Para evitar las vibraciones mecánicas debidas a las resonancias de la propia estructura de la balanza de torsión, se escogió una frecuencia de oscilación muy alta para la masa que se movía, 12,7 MHzs. Con esto se logra que la señal buscada, a 12,7 MHzs quede completamente fuera del rango posible de las vibraciones mecánicas de la balanza, por lo que su efecto era despreciable y el comportamiento de la esfera era como el de una esfera libre.
Como la imagen de arriba muestra claramente, todas las precauciones y medidas para evitar problemas dieron su fruto y pudieron observar el efecto de la fuerza gravitatoria entre dos masas muy pequeñas, de tan sólo 92 y 97 miligramos. Y además, al observar esta fuerza, pudieron medir el valor de la constante de Gravitación universal G, que aparece en la ley que gobierna la atracción entre dos masa. Sus resultados fueron muy similares a los admitidos como mejores ahora mismo, publicados por un comité internacional para la ciencia y tecnología, llamados generalmente valores CODATA, como muestra la figura siguiente:
Como se puede ver, los valores obtenidos y su valores medio son algo más bajos que el valor CODATA, 6,04 frente a 6,67. Esta diferencias no son muy importantes porque primero, entran dentro del error cometido y segundo, los errores sistemáticos de medida pueden explicarlo perfectamente.
Si uno lo piensa con detenimiento, el resultado es impresionante. Hasta ahora, no se había logrado comprobar que la fuerza de la gravedad actúa entre dos masa tan pequeñas como se esperaba que actuase, extendiendo así la posible aplicación de la fuerza de gravedad a valores muy pequeños y provocando más de un dolor de cabeza a los físicos teóricos, que tienen difícil conjugar esta fuerza con las restantes que se supone dominan el universo.
El artículo salió publicado en la revista Nature, en el vol. 591: Measurement of gravitational coupling between millimetre-sized masses.
Notas
(1) La teoría de la Relatividad de Einstein es la mejor forma que tenemos hasta ahora de entender la masa y la gravitación, a pesar de los problemas que genera. Uno no menor es la imposibilidad de unir o juntar esta fuerza de la gravedad fácilmente con las otras fuerzas fundamentales conocidas: Electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte.
(2) Los efectos cuánticos son los que se producen cuando los objetos que se pretende relacionar son tan pequeños que la idea del continuo de la materia ya no puede ser empleada y la naturaleza discreta de los objetos debe ser tenida en cuenta. El artículo de la Wikipedia en español sobre la mecánica cuántica es bueno: Wiki: Mecánica Cuántica.
(3) Las balanzas de torsión son unos aparatos consistentes en dos esferas unidas rígidamente que permiten medir fuerzas muy pequeñas por las distorsiones producidas en el ángulo de la barra respecto al reposo. El artículo de la Wikipedia en español no está del todo mal: Wiki: Balanza de torsión.
(4) Una jaula de Faraday es una caja metálica que está conectada a tierra eléctrica. En su interior no pueden penetrar los campos electromagnéticos del exterior, lo que la convierte en un lugar aislado eléctricamente.