{"id":1161,"date":"2021-04-16T09:40:31","date_gmt":"2021-04-16T08:40:31","guid":{"rendered":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/?p=1161"},"modified":"2021-04-16T09:40:31","modified_gmt":"2021-04-16T08:40:31","slug":"medir-la-gravedad-para-masa-muy-pequenas","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/2021\/04\/16\/medir-la-gravedad-para-masa-muy-pequenas\/","title":{"rendered":"Medir la gravedad para masa muy peque\u00f1as"},"content":{"rendered":"\n

Todos somos conscientes de que las cosas pesan debido al efecto de la fuerza de la gravedad sobre su masa. Los f\u00edsicos, adem\u00e1s, generalmente sabemos que se puede explicar bastante bien esta interacci\u00f3n gracias a resultados e ideas de Einstein y su teor\u00eda de la relatividad, que se ocupa precisamente de c\u00f3mo se mueven las cosas debido a su masa. Pero hay varios problemas con la fuerza de la gravedad. <\/p>\n\n\n\n

Uno de ellos es que se pueden comprobar sus predicciones para masas grandes; con objetos del tama\u00f1o de estrellas y galaxias es relativamente f\u00e1cil: basta con usar un telescopio y ponerse a mirar c\u00f3mo se mueven galaxias, estrellas y dem\u00e1s. Hacer las comprobaciones de la fuerza de la gravedad para masas m\u00e1s peque\u00f1as, sin embargo, empieza a representar un desaf\u00edo por varios motivos. El principal es que la propia fuerza es muy peque\u00f1a, lo que implica que su valor es m\u00e1s dif\u00edcil de distinguir del ruido, lo que complica mucho los experimentos. Por eso, casi todas las medidas de c\u00f3mo funcionaba la fuerza de la gravedad a distancias muy cortas y masas peque\u00f1as se hab\u00edan 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: \u00a1bajaron 5 \u00f3rdenes de magnitud la cantidad de masa usada!<\/p>\n\n\n\n

Pero, \u00bfpor qu\u00e9 es esto importante? Pues muy sencillo: si hay algo que nos gusta a los f\u00edsicos, 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 f\u00edsica por descubrir. Y cuando eso no sucede, lo segundo mejor que puede pasar es que se confirme lo que ya ten\u00edamos claro. Por eso se realizan continuamente experimentos que empujan un poco m\u00e1s all\u00e1 de lo ya comprobado leyes y resultados establecidos: para comprobar si las leyes conocidas pueden aplicarse m\u00e1s all\u00e1 de sus fronteras conocidas.<\/p>\n\n\n\n

La secci\u00f3n principal de este art\u00edculo comienza la revisi\u00f3n de la medida de la fuerza de la gravedad comentando que casi todas las comprobaciones que tenemos de la teor\u00eda de la Relatividad(1) se han realizado mediante la observaci\u00f3n de objetos estelares con masas y distancias enormes: agujeros negros, estrellas, etc. Adem\u00e1s, tambi\u00e9n en experimentos de laboratorio muy controlados en la Tierra, se ha podido comprobar que los efectos de la gravedad son los que la teor\u00eda predice para distancias por debajo de los mil\u00edmetros. Explican que si bien se ha comprobado el efecto de un campo gravitatorio sobre objetos tan peque\u00f1os como para tener en cuenta efectos cu\u00e1nticos(2), las fuentes del campo gravitatorio siempre eran grandes: o bien la propia Tierra, o bien del orden del kilogramo. <\/p>\n\n\n\n

As\u00ed, experimentos donde las masas que provocaran el campo gravitatorio fueran mucho m\u00e1s peque\u00f1as hay menos, y con masas de cientos de miligramos. Citan como ejemplos de estos \u00faltimos experimentos un experimento en el que un disco de platino con agujeros provocaba una oscilaci\u00f3n en su campo gravitatorio que se med\u00eda desde una distancia de 52 \u00b5m, 52 \u00b7 10-6 <\/sup>m con una masa de aprox. 700 miligramos. Comentan que usar los esquemas habituales de medici\u00f3n basados en excitaciones resonantes o modulaciones peri\u00f3dicas del campo gravitatorio son dif\u00edciles para valores de masas m\u00e1s peque\u00f1os, principalmente por dos problemas. Por un lado, se hace muy dif\u00edcil aislar los efectos de la gravedad de otro tipo de perturbaciones, especialmente de las vibraciones mec\u00e1nicas y electromagn\u00e9ticas. Adem\u00e1s, la detecci\u00f3n de resonancias mec\u00e1nicas que se suele usar usar para medir la se\u00f1al de la gravedad, no es capaz de discriminar entre las causas de la oscilaci\u00f3n resonante, de forma que aislar los efectos de la fuerza gravitatoria es muy complicado. <\/p>\n\n\n\n

Por eso ellos emplearon otro esquema experimental totalmente distinto, en el que combinaron la detecci\u00f3n de la fuerza gravitatoria de un sistema muy bien equilibrado con una estimaci\u00f3n independiente del error sistem\u00e1tico, lo que les permiti\u00f3 medir el efecto de la gravedad entre dos masas menores a 100 miligramos.<\/p>\n\n\n\n

El experimento es muy ingenioso, como muestra el esquema de la figura siguiente.<\/p>\n\n\n\n

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Esquema del experimento. Tomado de la figura 1<\/span> del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

La idea es generar una alteraci\u00f3n en el campo gravitatorio de la bola mt<\/sub> con las oscilaciones de la masa ms<\/sub>, que se observar\u00e1n con los cambio que provocan en la balanza de torsi\u00f3n(3) de la que forman parte las dos esferas unidas mt<\/sub> y ma<\/sub>. Con este sistema, las perturbaciones en el campo gravitatorio producidas por el movimiento de la esfera ms<\/sub> se pueden registrar en la balanza y comprobar si se corresponden con las que la gravedad implicar\u00eda para las masas conocidas.<\/p>\n\n\n\n

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 mol\u00e9culas del aire, el experimento se realiza en una c\u00e1mara de vac\u00edo. Adem\u00e1s, para evitar las perturbaciones electrost\u00e1ticas que pueden darse entre las dos esferas, la esfera de la balanza se encierra en una jaula de Faraday(4) y la c\u00e1mara de vac\u00edo se recubri\u00f3 de oro y conect\u00f3 a tierra el\u00e9ctrica 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 magn\u00e9ticos que pudieran perturbar los resultados midieron las intensidades del campo magn\u00e9tico dentro de la c\u00e1mara donde se realiz\u00f3 el experimento, obteniendo valores nulos o tan peque\u00f1os que no podr\u00edan afectar a los resultados.<\/p>\n\n\n\n

Adem\u00e1s, hay otros problemas de m\u00e1s dif\u00edcil soluci\u00f3n: dado que la fuerza gravitatoria tiene un alcance ilimitado, como los autores del art\u00edculo se\u00f1alan, la simple presencia de gente alrededor del experimento, por no decir los coches u otros objetos m\u00e1sicos rodeando al mismo, pueden alterar la oscilaci\u00f3n. Si esta alteraci\u00f3n es lo suficientemente grande, no se va a poder medir nada. Para evitar eso, se tomaron los datos en d\u00edas de vacaciones de Navidad y a horas en las que no habr\u00eda nadie en el laboratorio. Tambi\u00e9n hay que evitar vibraciones mec\u00e1nicas, que en el caso de los elementos exteriores al experimento se minimizaron escogiendo las horas en las que hab\u00eda menos tr\u00e1fico. Para evitar las vibraciones mec\u00e1nicas debidas a las resonancias de la propia estructura de la balanza de torsi\u00f3n, se escogi\u00f3 una frecuencia de oscilaci\u00f3n muy alta para la masa que se mov\u00eda, 12,7 MHzs. Con esto se logra que la se\u00f1al buscada, a 12,7 MHzs quede completamente fuera del rango posible de las vibraciones mec\u00e1nicas de la balanza, por lo que su efecto era despreciable y el comportamiento de la esfera era como el de una esfera libre.<\/p>\n\n\n\n

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Resultados obtenidos. Las vibraciones esperadas, y su resonancia a doble de frecuencia se observan con claridad, tanto en los desplazamientos, l\u00ednea azul, como en las fuerzas, l\u00ednea roja. Las l\u00edneas grises indican el nivel de ruido experimental, con lo que las se\u00f1ales registradas est\u00e1n bien por encima de este valor. F\u00edjense el valor m\u00ednimo de las unidades empleadas (nan\u00f3metros, 10\u207b\u2079 m, para el desplazamiento y fentoNewtons, 10\u207b\u00b9\u00b2, Newtons para la fuerza) De la figura 2<\/span> del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

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 peque\u00f1as, de tan s\u00f3lo 92 y 97 miligramos. Y adem\u00e1s, al observar esta fuerza, pudieron medir el valor de la constante de Gravitaci\u00f3n universal G<\/em>, que aparece en la ley que gobierna la atracci\u00f3n entre dos masa. Sus resultados fueron muy similares a los admitidos como mejores ahora mismo, publicados por un comit\u00e9 internacional para la ciencia y tecnolog\u00eda, llamados generalmente valores CODATA, como muestra la figura siguiente:<\/p>\n\n\n\n

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Valores de la constante de gravitaci\u00f3n Universal medidos en diversos momentos con su error. Las l\u00edneas son los valores medidos y los sombreados de colores, su error. Para dar el valor final, l\u00ednea roja, se hizo una media de las mediciones individuales, con las l\u00edneas punteadas rojo-anaranjadas indicando el error de la medida. El valor CODATA es la l\u00ednea punteada negra.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Como se puede ver, los valores obtenidos y su valores medio son algo m\u00e1s 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 sistem\u00e1ticos de medida pueden explicarlo perfectamente.<\/p>\n\n\n\n

Si uno lo piensa con detenimiento, el resultado es impresionante. Hasta ahora, no se hab\u00eda logrado comprobar que la fuerza de la gravedad act\u00faa entre dos masa tan peque\u00f1as como se esperaba que actuase, extendiendo as\u00ed la posible aplicaci\u00f3n de la fuerza de gravedad a valores muy peque\u00f1os y provocando m\u00e1s de un dolor de cabeza a los f\u00edsicos te\u00f3ricos, que tienen dif\u00edcil conjugar esta fuerza con las restantes que se supone dominan el universo.<\/p>\n\n\n\n

El art\u00edculo sali\u00f3 publicado en la revista Nature, en el vol. 591: Measurement of gravitational coupling between millimetre-sized masses<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Notas<\/h4>\n\n\n\n

(1) La teor\u00eda de la Relatividad de Einstein es la mejor forma que tenemos hasta ahora de entender la masa y la gravitaci\u00f3n, a pesar de los problemas que genera. Uno no menor es la imposibilidad de unir o juntar esta fuerza de la gravedad f\u00e1cilmente con las otras fuerzas fundamentales conocidas: Electromagn\u00e9tica, nuclear d\u00e9bil y nuclear fuerte.<\/p>\n\n\n\n

(2) Los efectos cu\u00e1nticos son los que se producen cuando los objetos que se pretende relacionar son tan peque\u00f1os 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 art\u00edculo de la Wikipedia en espa\u00f1ol sobre la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica es bueno: Wiki: Mec\u00e1nica Cu\u00e1ntica<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

(3) Las balanzas de torsi\u00f3n son unos aparatos consistentes en dos esferas unidas r\u00edgidamente que permiten medir fuerzas muy peque\u00f1as por las distorsiones producidas en el \u00e1ngulo de la barra respecto al reposo. El art\u00edculo de la Wikipedia en espa\u00f1ol no est\u00e1 del todo mal: Wiki: Balanza de torsi\u00f3n<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

(4) Una jaula de Faraday es una caja met\u00e1lica que est\u00e1 conectada a tierra el\u00e9ctrica. En su interior no pueden penetrar los campos electromagn\u00e9ticos del exterior, lo que la convierte en un lugar aislado el\u00e9ctricamente.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Todos somos conscientes de que las cosas pesan debido al efecto de la fuerza de la gravedad sobre su masa. Los f\u00edsicos, adem\u00e1s, generalmente sabemos que se puede explicar bastante bien esta interacci\u00f3n gracias a resultados e ideas de Einstein y su teor\u00eda de la relatividad, que se ocupa precisamente de c\u00f3mo se mueven las … Continuar leyendo \u00abMedir la gravedad para masa muy peque\u00f1as\u00bb<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":378,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[2],"tags":[24,25,29],"class_list":["post-1161","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-articulo-interesantes","tag-experimentos","tag-fisica","tag-gravitacion"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1161","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/users\/378"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1161"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1161\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1161"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1161"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1161"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}