Durante 10 anos, o físico Stefan Schlamminger perseguiu um dos números mais teimosos da ciência. Agora, depois de uma década de experimentos, melhorias e análises meticulosas, a resposta estava dentro de um envelope lacrado.
Ele não tinha certeza se queria abri-lo.
Schlamminger, físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), passou grande parte da última década tentando medir a constante gravitacional universal. Os físicos consideram isso muito grande SimEste número fundamental determina a força da atração gravitacional em todo o universo.
O número escondido no envelope era a chave que acabaria por desbloquear seus dados experimentais e revelar o que sua equipe havia medido.
O número mais evasivo da gravidade
A gravidade é uma das forças mais familiares na vida cotidiana. Mantém as pessoas ligadas à Terra, guia os planetas em torno do Sol, ajuda as estrelas a formar galáxias e desempenha um papel central na formação da vasta teia cósmica de aglomerados de galáxias espalhadas por todo o universo.
No entanto, os cientistas ainda não conhecem a sua força fundamental com a precisão que alcançaram para outras forças fundamentais da natureza.
Esse poder é representado pelo grande Sim.
Os cientistas estão tentando medir em grande escala Sim Há mais de 225 anos, quase um século desde que Isaac Newton introduziu sua lei da gravitação universal. Apesar de gerações de experiências cada vez mais sofisticadas, a constante gravitacional é conhecida com menos precisão do que constantes comparáveis associadas às outras três forças fundamentais da natureza: o electromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca.
Parte do problema é surpreendentemente simples. A gravidade é excepcionalmente fraca.
Um pequeno ímã pode demonstrar o problema. Um ímã aproximadamente do tamanho de uma cabeça de alfinete pode levantar um clipe de papel contra a atração gravitacional de toda a Terra. Nessa competição simples, a força eletromagnética produzida pelo ímã supera facilmente a gravidade.
No laboratório o desafio torna-se ainda maior. Os cientistas não podem mover planetas para realizar experiências controladas, por isso têm de medir a atração gravitacional entre objetos muito pequenos que podem ser pesados e mantidos em posição precisa.
Essas massas experimentais são cerca de 500 bilhões de trilhões de vezes menores que a da Terra. Como resultado, as forças gravitacionais que os investigadores estão a tentar detectar são incrivelmente fracas.
Medidas que se recusam a concordar
Os equipamentos modernos tornaram-se excepcionalmente sensíveis, mas as medições são grandes Sim Continue a fornecer respostas ligeiramente diferentes.
As divergências são pequenas, cerca de uma parte em 10.000. No entanto, ainda são maiores do que os investigadores esperam da incerteza experimental normal.
Essa incompatibilidade persistente colocou uma questão incômoda para os físicos.
A explicação mais provável é que algum efeito experimental sutil tenha sido ignorado. Mas há uma possibilidade ainda mais interessante: talvez os cientistas estejam a esquecer-se de algo sobre a própria gravidade.
Schlamminger e os seus colegas esperavam esclarecer o problema duplicando cuidadosamente uma experiência exacta conduzida pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) em Sevres, França, em 2007.
A ideia era simples. Se uma equipe independente no campus do NIST em Gaithersburg, Maryland, pudesse reproduzir as medições francesas usando essencialmente a mesma abordagem, isso poderia ajudar a resolver o enorme desacordo. Sim.
Mas Schleminger estava preocupado com outra fonte de erro: ele próprio.
Os cientistas podem inadvertidamente influenciar a forma como interpretam ou analisam as medições quando sabem a resposta que esperam. Schleminger queria eliminar ao máximo essa possibilidade.
Então ele pediu ao colega Patrick Abbott que conduzisse um experimento cego, limpando alguns dos dados.
Abbott subtraiu um número secreto dos pesos cuidadosamente medidos de certas massas usadas no experimento. Como apenas Abt conhecia esse número, Schlamminger pôde analisar o experimento sem saber o valor real do valor maior. Sim Sua equipe estava construindo.
A correção necessária para recuperar a resposta real foi lacrada dentro de um envelope.
Dez anos de trabalho condensados em um envelope
Schlamminger quase abriu o envelope em 2022.
Contudo, no último momento, perceberam que a equipe não havia levado em conta totalmente os efeitos sutis associados à pressão do ar. Como mesmo pequenos erros poderiam ter importância numa experiência tão delicada, ele adiou a divulgação e voltou à análise.
Depois de dois anos, finalmente chegou o momento.
Em 11 de julho de 2024, às 15h, Schlamminger estava programado para apresentar os resultados na Conferência Anual sobre Medições Eletromagnéticas de Precisão em Aurora, Colorado.
Ele estava tão preocupado que faltou à sessão da manhã. Em vez disso, ele contou mentalmente as muitas coisas que poderiam distorcer as medições, incluindo pequenas variações de temperatura e pressão.
Naquela época, ele acreditava que a equipe havia contabilizado tudo o que era possível de maneira adequada.
“Na verdade, passei por todos os pontos do experimento e cruzei todos os pontos”, disse ele.
Durante sua apresentação da tarde, Schlamminger finalmente revelou os números ocultos.
Ele sentiu um alívio imediato.
Para alcançar os resultados desejados do experimento, a correção secreta da Abbott precisava ser relativamente grande e negativa.
era.
A princípio, parecia uma boa notícia.
Mas com o passar do dia, Schlamminger percebeu que havia um problema. A melhoria foi enorme. Uma vez restaurados os dados cegos, a medição do NIST não concordou com o resultado francês.
Uma pequena diferença com grandes implicações
Após análise detalhada durante os dois anos seguintes, Schlamminger e seus colegas relataram suas medições metrologia.
seu valor para Sim era 6,67387 × 10-11 a uma distância de metros3/quilograma/segundo2.
Esse resultado é 0,0235% inferior ao valor obtido na experiência francesa.
Na vida normal, uma diferença tão pequena não teria sentido. Isso não causará nenhuma mudança perceptível na leitura da balança de banheiro e não afetará a quantidade de manteiga de amendoim necessária para produzir um recipiente de 16 onças.
No entanto, para a física fundamental, a discrepância é importante.
Outras constantes fundamentais da natureza são conhecidas com seis ou mais algarismos significativos. Grande Sim Teimosamente permanece menos preciso.
A história também dá aos físicos motivos para prestar atenção às pequenas anomalias. Em muitas ocasiões, pequenas discrepâncias entre medições e expectativas revelaram, em última análise, que os cientistas estavam a perder algo importante sobre o funcionamento da natureza.
Isso não significa desacordo em massa Sim Aponta para uma nova física. O erro experimental continua sendo a explicação mais provável. Mas a contínua incapacidade de experimentos precisos convergirem para o mesmo valor mantém vivo o mistério.
Um experimento com raízes em 1798
A tecnologia utilizada pelas equipes do BIPM e do NIST tem uma história que se estende por mais de dois séculos.
Seus experimentos basearam-se na balança de torção, um dispositivo capaz de detectar forças extremamente pequenas medindo a quantidade de torção de uma fibra finamente suspensa.
A ideia básica remonta a um famoso experimento conduzido pelo físico inglês Henry Cavendish em 1798.
Cavendish colocou duas bolas de chumbo em extremidades opostas de uma viga de madeira pendurada horizontalmente no centro por um fio fino. Então ele colocou dois objetos muito pesados próximos.
A massa pesada atraiu as pequenas bolas de chumbo pela gravidade, fazendo com que a viga suspensa girasse. À medida que a viga se dobrava, o fio continuava a dobrar-se até que a sua resistência equilibrasse a força gravitacional.
Ao medir a pequena velocidade do feixe com um espelho e um indicador luminoso, Cavendish conseguiu determinar a interação gravitacional entre as massas e obter informações correspondentes ao valor da maior. Sim.
Mais de 200 anos depois, o mesmo princípio básico continua útil, embora o equipamento tenha se tornado muito mais sofisticado.
medindo uma força quase pequena demais para ser vista
Oito massas metálicas cilíndricas foram utilizadas nos experimentos BIPM e NIST.
Quatro grandes cilindros foram colocados em um carrossel giratório em uma configuração semelhante aos quatro castiçais de um lustre antigo. Dentro do carrossel havia quatro pequenos corpos localizados em um disco suspenso por uma fita de cobre-berílio tão grossa quanto um fio de cabelo humano.
A gravidade entre as massas externa e interna girou o equilíbrio de torção suspenso, fazendo com que a fina fita de metal se torcesse.
Medindo com precisão essa velocidade e o torque gravitacional associado, os pesquisadores podem calcular um valor para Sim. O torque é simplesmente uma força rotativa, semelhante à força usada ao girar uma chave inglesa.
Mas as equipes não confiaram apenas em um método.
Em outra série de medições, os cientistas colocaram eletrodos próximos à massa interna e aplicaram uma voltagem elétrica a eles.
A força eletrostática resultante produz um torque na direção oposta ao torque gravitacional.
Os pesquisadores ajustaram a tensão até que o efeito eletrostático equilibrasse exatamente o efeito gravitacional, evitando que o equilíbrio torcional mudasse.
Como a quantidade de tensão necessária para atingir esse equilíbrio podia ser medida com extraordinária precisão, proporcionou outra maneira de realizar grandes cálculos. Sim.
cobre e safira dão a mesma resposta
A equipe de Schlamminger iniciou um teste adicional.
Eles queriam saber se os materiais utilizados no experimento poderiam de alguma forma afetar os resultados.
Os pesquisadores primeiro fizeram a medição usando uma massa de cobre. Ele então repetiu o experimento usando safira.
O resultado foi essencialmente o mesmo com ambos os materiais.
Esse resultado eliminou uma possível explicação para a anomalia, mas não resolveu o mistério maior.
Após uma década de trabalho, a experiência do NIST tornou-se outro importante dado no esforço contínuo dos cientistas para determinar o verdadeiro valor da massa. Sim.
“Cada medição é importante, porque a verdade é importante”, disse Schlamminger. Ele disse: “Para mim, fazer medições precisas é uma forma de trazer ordem ao universo, independentemente de o número corresponder ao valor esperado ou não”.
Depois de anos focando no problema, Schleminger diz que está pronto para passar o desafio a outras pessoas.
Ele disse: “Deixarei a tarefa de trabalhar neste problema para a geração mais jovem de cientistas”.
“Devemos seguir em frente.”
Big G não é o mesmo que Little G
Grande Sim g não é a única letra associada à gravidade.
Os físicos também usam um g pequeno, mas as duas quantidades descrevem coisas muito diferentes.
O pequeno g refere-se à aceleração que um objeto experimenta devido à atração gravitacional de um corpo maior próximo, como a Terra.
oposto de grande SimMuda um pouco dependendo de onde você está.
Perto da superfície da Terra, o pequeno g é cerca de 9,8 metros por segundo quadrado. Na Lua, é de apenas 1,62 metros por segundo porque a Lua tem uma massa muito menor e, portanto, produz uma aceleração gravitacional mais fraca.
Grande SimPelo contrário, é considerado universal.
Tanto quanto é do conhecimento dos cientistas, tem o mesmo valor em todo o universo. Ele determina a força gravitacional entre quaisquer dois objetos, sejam esses objetos duas massas de laboratório, uma pessoa e a Terra, ou dois corpos celestes separados por grandes distâncias.
A lei da gravitação de Newton é amplamente usada Sim Para conectar massa, distância e força gravitacional.
Para duas populações, eu1 E eu2Os cientistas multiplicam as massas e dividem o resultado pelo quadrado da distância. R entre eles e depois multiplique pelo maior Sim.
A relação escrita matematicamente é:
Grama1eu2/R2
Mais de dois séculos depois de os cientistas terem começado a tentar medi-la com precisão, esta constante aparentemente simples continua a ser um dos números mais difíceis da física.
