Stephan Schlamminger publicó el resultado de una década de medición de la constante gravitacional G usando una balanza de torsión, pero la medida sigue sin cuadrar
Los físicos pueden hacer cálculos gracias a las constantes. Son unos valores que no cambian en las ecuaciones, y que se conocen con mucha precisión. Por ejemplo, la velocidad de la luz o la carga del electrón son constantes bien conocidas y se han podido medir con una gran precisión.
Pero la constante de la gravedad universal (la «G mayúscula» de la fórmula de Newton) lleva más de 225 años resistiéndose. No porque la gravedad sea misteriosa en sí misma, sino porque es extraordinariamente débil comparada con las otras fuerzas fundamentales: incluso un pequeño imán puede levantar un clip venciendo la atracción gravitatoria de toda la Tierra.
El experimento más famoso para medir la gravedad fue el de Cavendish en el siglo XVIII. Consiste en suspender unas masas de un balancín y medir cuánto se atraen entre sí por la torsión del hilo. El método es tan bueno que es el mismo que se utiliza hoy (aunque el desplazamiento se mide con láser para ser más precisos). Pero medir la atracción gravitatoria entre masas de laboratorio tiene un problema: esas masas son 500 cuadrillones de veces más pequeñas que la Tierra.
Experimento de Cavendish para medir la constante G
Esto exige detectar fuerzas infinitesimalmente pequeñas, y cualquier perturbación ambiental o error sistemático no identificado (un tren que pasa, un microterremoto) puede sesgar el resultado. El problema es que los distintos grupos de investigación que han medido G con las mejores técnicas disponibles obtienen valores que no coinciden entre sí más allá de sus márgenes de incertidumbre declarados.
Stephan Schlamminger, un físico del National Institute of Standards and Technology (NIST) de Gaithersburg, Maryland, EE. UU., pasó diez años intentando resolver esa contradicción. Los resultados, publicados en Metrologia, confirman que el misterio sigue en pie.
El sobre sellado: cómo Schlamminger se ocultó el resultado a sí mismo
El diseño del experimento de Schlamminger tenía un elemento inusual que tiene tanto de ingenioso como de dramático. Schlamminger sabía que existe un sesgo bien documentado en la física de precisión: los investigadores tienden, inconscientemente, a ajustar sus análisis hasta que el resultado se aproxima al valor esperado.
Para evitarlo, pidió a su colega Patrick Abbott que tomara una parte crucial de los datos del experimento y le restara un número secreto. Solo Abbott sabía ese número. Hasta que el sobre se abriera, Schlamminger no tenía forma de saber cuál era el verdadero valor que su experimento había producido. Con esa estratagema (llamada «análisis ciego») se garantizaba que ningún sesgo inconsciente pudiera contaminar el resultado.
El momento de abrir el sobre casi llegó en 2022, pero Schlamminger lo aplazó al darse cuenta de que un sutil efecto de presión del aire sobre las masas del experimento no había sido correctamente contabilizado. Durante dos años más refinó el análisis. Finalmente, el 11 de julio de 2024, en la Conferencia anual sobre Mediciones Electromagnéticas de Precisión en Aurora, Colorado, Schlamminger hizo su presentación y abrió el sobre en público.
Al leer el número secreto de Abbott, su primera reacción fue alivio: el valor necesitaba ser grande y negativo para que el experimento concordara con las expectativas. Y lo era. Pero a medida que pasaron las horas y completó los cálculos, ese alivio se desvaneció. El número era demasiado grande para que los resultados del NIST coincidieran con el experimento francés de referencia. Había una nueva discrepancia.
Los detalles técnicos y el resultado de la nueva G
El experimento del NIST replicó punto por punto el experimento de 2007 del Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) en Sèvres, Francia, que es uno de los valores de G más citados de la literatura. Ambos usaron una balanza de torsión, el instrumento estándar para medir G desde los tiempos de Henry Cavendish en 1798: masas suspendidas de una fibra delgada que gira microscópicamente bajo la atracción gravitatoria de masas externas, permitiendo calcular G a partir de ese giro.
El experimento del NIST incluyó ocho masas cilíndricas metálicas (cuatro grandes en un carrusel exterior y cuatro pequeñas suspendidas en el interior), y repitió las mediciones con masas de cobre y de zafiro para verificar que el material no influía en el resultado. No influyó.
El valor medido por Schlamminger y sus colegas fue G = 6,67387 × 10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻², un 0,0235% por debajo del valor del BIPM francés. Esa diferencia puede parecer trivial, pero en el lenguaje de la metrología de precisión, donde la mayoría de las otras constantes fundamentales se conocen con seis o más dígitos significativos y con un acuerdo mutuo mucho mayor, es una discrepancia notable.
«Cada medición es importante, porque la verdad importa», señaló Schlamminger. «Para mí, hacer una medición precisa es una forma de traer orden al universo, independientemente de si el número está de acuerdo con el valor esperado». Tras una década dedicada al problema, Schlamminger dice estar listo para pasar a otra cosa: «Dejaré que las generaciones más jóvenes trabajen en el problema».
Por qué es tan molesto que G sea imprecisa
La imprecisión en G no afecta a nada en la vida cotidiana: no cambia el peso en una báscula de baño ni altera la cantidad de mantequilla de cacahuete en un bote de 16 onzas. Pero científicamente tiene consecuencias. G es la constante que conecta la relatividad general con las mediciones de la masa del universo, la que permite calcular la masa de galaxias y cúmulos galácticos a partir de sus dinámicas observadas, y la que entra en los modelos de cosmología que intentan reconstruir la historia del universo.
Tener una incertidumbre relativa de 20-30 partes por millón en G (la peor conocida de todas las constantes fundamentales, aproximadamente 100.000 veces peor que la de muchas otras) es una limitación real para la física de precisión. Y el hecho de que experimentos independientes que miden lo mismo obtengan resultados que no concuerdan dentro de sus incertidumbres señala, o bien errores sistemáticos que no se están identificando, o bien (más emocionante) física que no comprendemos del todo sobre cómo se comporta la gravedad a escalas de laboratorio.
REFERENCIA
