Traduzido e adaptado por Mateus Lynniker de ScienceNews
Havia um segredo dentro do envelope nas mãos de Stephan Schlamminger, um dos maiores especialistas mundiais em testes experimentais de gravidade. Ele parecia prestes a abrir o envelope durante uma apresentação na reunião de abril de 2022 da American Physical Society, para ler um número que revelaria se seus últimos esforços em uma paixão vitalícia foram um sucesso.
Schlamminger, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Gaithersburg, Maryland, procurou medir a constante gravitacional de Newton. O número secreto no envelope era uma espécie de código – um erro intencional e específico inserido em seu experimento NIST para obscurecer a medição à medida que avançava. Apenas uma pessoa sabia o número. E essa pessoa não era Schlamminger.
Sem acesso a ele, ele não poderia saber o que o experimento havia encontrado. Schlamminger impôs o sigilo a si mesmo para se proteger contra o viés no experimento, incluindo o viés inconsciente que pode assediar até mesmo os melhores experimentalistas. Foi uma precaução extra garantir a integridade de um experimento que poderia ajudar a desvendar discrepâncias misteriosas nas medições da constante, conhecida como G, que surgiram nas últimas décadas.
G, muitas vezes chamado de “grande G” (para distingui-lo de “g”, que depende de G e é o caso especial da aceleração da gravidade perto da superfície da Terra), reflete a força da gravidade entre quaisquer coisas com massa. Ele determina as órbitas dos planetas e galáxias e descreve a força que o puxa para o chão. Ninguém sabe prever a partir da teoria qual deveria ser o valor real de G, diz Clive Speake, físico da Universidade de Birmingham, na Inglaterra, que desenvolveu o instrumento que Schlamminger está usando no NIST.
Também é muito difícil de medir. Após dois séculos de precisão aprimorada, medições recentes de G são preocupantes. Um punhado de laboratórios em todo o mundo revelou valores que discordam. Os valores dispersos podem ser um sinal de problemas com as técnicas de medição entre vários grupos, ou pode haver um aspecto mais intrigante.
“Há um elefante assombroso na sala que sugere que talvez haja algo acontecendo que não entendemos”, diz Speake. “Se as medições estiverem corretas, então pode ser a maior descoberta desde Newton.”
Como tantas apresentações científicas na época do COVID-19, a revelação de Schlamminger foi definida para ser virtual. Presumivelmente, outros físicos e repórteres científicos ao redor do mundo estavam, como eu, debruçados sobre telas esperando para ver o que o número secreto nos diria sobre G.
Chegou a hora de rasgar o envelope. Mas o feed de vídeo parou. A grande revelação havia sido cancelada. Discrepâncias intrigantes nas medições significavam que os números não eram confiáveis. O envelope permaneceria lacrado por pelo menos mais um ano, enquanto Schlamminger voltava ao laboratório para fazer outra tentativa em uma das medições mais desafiadoras da física.
Qual é a constante gravitacional de Newton?
A constante gravitacional de Newton é um nome impróprio. Embora Isaac Newton tenha desenvolvido sua teoria da gravidade no século 17, ele não pensava em termos de G. Ele estava interessado principalmente em como a força movia os objetos. Maçãs caindo, planetas em órbita e a forma surpreendentemente achatada da Terra são apenas alguns dos inúmeros fenômenos que a teoria de Newton explicava, tudo sem mencionar explicitamente G. A constante, nomeada em homenagem a Newton dois séculos depois, estava envolvida nas massas envolvidas.
Agora sabemos que a teoria de Newton é apenas uma aproximação da versão mais abrangente da gravidade de Einstein, a teoria da relatividade geral. Foi necessária a teoria de Einstein para explicar a intensa gravidade dos buracos negros e a curvatura do espaço e do tempo. Ainda assim, aqui na Terra, é a teoria da gravidade de Newton que preocupa Schlamminger e outros que desejam medir G.
A força da gravidade depende de três fatores: as massas envolvidas, as distâncias entre as massas e G. Enquanto as massas e distâncias diferem dependendo se você está considerando as forças entre você e a Terra, por exemplo, ou um planeta orbitando o sol, G é sempre o mesmo. Juntamente com as massas das partículas elementares, a carga de um elétron e a velocidade da luz, G é uma das dezenas de constantes cruciais para a ciência hoje.
G, porém, se destaca do resto. É uma das constantes mais antigas registradas – apenas a velocidade da luz foi medida anteriormente. No entanto, apesar de centenas de experimentos elegantes desde que o físico britânico Henry Cavendish o mediu pela primeira vez, 225 anos atrás, G permanece entre as menos precisamente conhecidas das constantes fundamentais.
E, de certa forma, nossa compreensão de G só piorou nas últimas décadas, à medida que surgiram novas medições incompatíveis.
Medições recentes de grande G não concordam
Quando Cavendish realizou suas primeiras medições da força da gravidade em um laboratório, ele se baseou em um conjunto de esferas de chumbo. Dois deles estavam pendurados em cada extremidade de uma haste de 6 pés (cerca de 2 metros) de comprimento, e toda a engenhoca estava pendurada em um fio. Ele então colocou bolas de chumbo maiores nas proximidades e mediu as forças entre as esferas, rastreando como a haste pendurada torcia no fio. Embora Cavendish estivesse interessado principalmente em descobrir a densidade da Terra, uma pequena manipulação de seus resultados mostra que ele efetivamente mediu G pela primeira vez. Ele obteve um valor cerca de 1% maior do que o valor geralmente aceito hoje.
Muitos dos experimentos G modernos são versões refinadas da configuração de Cavendish. Isso inclui o que Schlamminger usa. Em vez de esferas de chumbo, o sistema da Schlamminger tem cilindros de cobre usinados com precisão. Quatro cilindros de 1,2 quilo, conhecidos como massas de teste, repousam sobre um disco pendurado em uma fita metálica. A atração gravitacional entre os cilindros suspensos e quatro cilindros de cobre maiores, de aproximadamente 11 quilos, faz com que o disco gire na fita. Schlamminger chama os cilindros pesados de massas de origem. Ele também fez o experimento com um conjunto de massas de origem feitas de cristal de safira para ver se G depende dos materiais envolvidos (não deveria). Onde Cavendish usou uma grande caixa de madeira para proteger seu aparelho de brisas perdidas, Schlamminger conta com uma câmara de vácuo para eliminar o ar quase totalmente.
Conceitualmente, o experimento executado no NIST é o mesmo que Cavendish usou. Mas os experimentos modernos oferecem uma precisão muito maior.
Os experimentos de Cavendish retornaram um valor de 6,74 x 10 -11 metros cúbicos por quilograma-segundo ao quadrado. O número está correto em cerca de uma parte em 100. Atualmente, o valor aceito é 6,67430 x 10 -11 com uma incerteza de cerca de uma parte em 50.000, o que significa um erro de mais ou menos 0,00002 x 10 -11 . Alguns experimentos alcançaram uma precisão semelhante ao contar com pêndulos balançando perto de massas pesadas em vez de fios torcidos.
Mas, à medida que a precisão aumentou, surgiu um novo problema. Medições nos últimos 20 anos de vários grupos não concordam. É como se G fosse ligeiramente diferente em diferentes lugares e em diferentes momentos de uma forma que o erro experimental não pode explicar. O aparelho de Schlamminger foi emprestado ao NIST pelo International Bureau of Weights and Measures, ou BIPM, em Sèvres, França, onde os pesquisadores chegaram a um valor de 6,67554 x 10 -11 , um claro desvio do valor aceito.
A razão mais provável para as discrepâncias é que há algo em cada sistema experimental que é único. Os pesquisadores estão ansiosos para rastrear esses tipos de erros sistemáticos. Mas medir a gravidade é difícil, tanto porque é a mais fraca das forças fundamentais (a gravidade é tão fraca que alguns experimentos modernos usam toneladas de material para se basear em G) quanto porque tudo com massa tem gravidade. Não há como proteger os experimentos de outras fontes de gravidade, então os pesquisadores devem tentar explicar as influências externas.
Alternativamente, as discrepâncias em G podem ter algo a ver com o local onde os experimentos estão ocorrendo. Talvez o valor de G em Sèvres seja realmente 0,04% maior do que o valor de G medido recentemente em Boulder, Colorado, por exemplo. Nenhum dos especialistas contatados para esta história acha que esse é um cenário provável. Mas ao pegar emprestado o experimento de gravidade do BIPM e transferi-lo para o campus do NIST em Maryland, os esforços de Schlamminger devem ajudar a confirmar que G não varia de um lugar para outro. Isso presumindo que ele possa descobrir o que quer que tenha causado problemas em sua revelação em abril de 2022.
Por que nos preocupamos com a precisão do grande G?
Por que os cientistas precisam medir G para uma precisão perpetuamente maior?
Segundo alguns especialistas, não. “Do ponto de vista prático, não há um grande benefício em conhecer melhor o G”, diz o físico Clifford Will, da Universidade da Flórida, em Gainesville. Outras constantes, como a carga de um elétron e a velocidade da luz, “desempenham um papel enorme em todos os tipos de tecnologia importante, enquanto G não, porque a gravidade é muito fraca”, diz Will. “No momento em que a gravidade importa, em escalas que vão dos planetas ao universo, o que importa é G vezes a massa.”
A física Claudia de Rham, do Imperial College London, tem uma visão diferente. “G governa a intensidade da força gravitacional. Na gravidade newtoniana, ela nos diz como dois corpos maciços são atraídos gravitacionalmente um pelo outro, mas na teoria da relatividade geral de Einstein, essa constante comunica como qualquer coisa em nosso universo curva o tecido do espaço-tempo.” Conseguir um melhor controle sobre G, diz ela, pode ajudar a explicar por que a gravidade é muito mais fraca do que as forças eletromagnéticas ou a força nuclear forte, que mantém as partes dos átomos unidas.
Embora a relatividade geral tenha provado ser uma das teorias mais bem-sucedidas e revolucionárias da história, de Rham aponta que sua descrição da gravidade pode não estar completa. “Testar G com maior precisão nos permite entender o quão constante e universal G realmente é e se não poderia haver algo mais além da teoria da relatividade geral de Einstein”, diz de Rham.
Alguns pesquisadores especulam que medidas precisas de G podem um dia ajudar a descobrir a solução para um dos mistérios mais profundos da ciência: por que a gravidade não se encaixa na física quântica? O modelo padrão da física de partículas é uma teoria quântica que descreve quase tudo no universo, exceto a gravidade. Entender G melhor, diz de Rham, pode levar a uma versão quântica da gravidade, que é necessária para misturar a gravidade no modelo padrão. Tal “teoria de tudo” tem sido um sonho dos físicos desde pelo menos Einstein.
Para Schlamminger, a motivação é multifacetada. “É principalmente pura curiosidade. E agora, há sal nas feridas que o acordo [entre os grupos experimentais] é tão ruim.” A emoção de levar um experimento extraordinariamente difícil um pouco mais longe também o impulsiona. “Por que as pessoas escalam o Monte Everest?” diz Schlamminger. “Porque está lá.”
Outras abordagens para medir o grande G
Um desafio perene com os experimentos no estilo Cavendish são os fios. Para interpretar o que está acontecendo com G, os pesquisadores precisam saber como os fios de suspensão respondem à torção ou balanço e como eles mudam com o passar do tempo.
Alguns pesquisadores optam por acabar com os fios irritantes completamente, em vez de deixar cair ou jogar coisas para ver como elas respondem à atração de massas próximas. As versões mais precisas desses experimentos até agora lançam nuvens super-resfriadas de átomos em uma torre e depois permitem que caiam novamente. Ao jogar com várias configurações de objetos pesados próximos, os pesquisadores podem ver como a força gravitacional exercida por esses objetos afeta as trajetórias dos átomos. Até agora, os experimentos ficaram aquém dos experimentos de massa suspensa mais precisos por um fator de cerca de 10, alcançando uma precisão de uma parte em 5.000.
Um experimento recente projetado com outros propósitos em mente também dispensou os fios. A missão Laser Interferometer Space Antenna, ou LISA, Pathfinder foi um teste de prova de princípio para um tipo diferente de experimento de gravidade. Ele foi projetado para mostrar que é possível medir com precisão a distância entre objetos no espaço – a chave para a construção de um detector de ondas gravitacionais baseado no espaço.
O LISA Pathfinder conseguiu medir a distância entre objetos bem o suficiente para encontrar G com precisão de cerca de uma parte em 15. Isso é grosseiro em comparação com a precisão de Cavendish de um em 100 e muito pior do que outras medições modernas. Mas mostra que um experimento no espaço, livre da complicação de fios e objetos maciços próximos como a Terra, tem potencial para medir G de uma maneira totalmente nova.
Outra deficiência dos experimentos do tipo Cavendish é que eles medem forças entre objetos que estão se movendo lentamente ou parados completamente. Esses experimentos não podem dizer muito sobre se G permanece constante quando as coisas estão se movendo rapidamente.
Em experimentos nas profundezas de uma montanha na Suíça, o pesquisador de engenharia mecânica Jürg Dual, da ETH Zurich, está substituindo massas estáticas por vigas vibrantes ou hastes girando como hélices de helicóptero. Os movimentos resultam em mudanças na distância entre as partes móveis e um feixe que atua como um detector, que por sua vez altera as forças gravitacionais que o feixe do detector sente. O feixe do detector vibra como um diapasão, e o tamanho dessas vibrações oferece uma medida de G.
Ao contrário dos experimentos convencionais, este pode detectar se G depende do movimento, o que “pode ser algo bastante espetacular, na verdade”, diz Dual. Quanto à probabilidade disso, “estou completamente aberto”, diz ele.
Por enquanto, porém, Schlamminger e outros que usam massas suspensas, como Cavendish fez há 225 anos, ainda fornecem as medições mais precisas.
Ainda não há uma resposta clara
O laboratório de Schlamminger no campus do NIST fica bem abaixo de seu escritório. “É cerca de quatro andares subterrâneos”, diz ele. “Há menos vibração, é mais fácil estabilizar a temperatura e o chão do laboratório não se inclina tanto. Normalmente, os edifícios inclinam-se com a variação da carga de vento. Isso não é um problema subterrâneo.”
Em minha visita ao NIST um mês após a revelação cancelada, descemos vários lances de escada e caminhamos por um corredor vazio antes de entrar em uma sala que tem um tapete pegajoso do lado de dentro. Está lá para limpar a poeira de seus sapatos quando você entra. Mesmo assim, Schlamminger muda para um par de sapatos dedicado que ele esconde no laboratório e me dá capas para deslizar sobre as solas dos meus sapatos. Em seguida, passamos por outra porta hermética para ver o experimento de gravidade emprestado ao NIST. As coisas devem estar organizadas quando você está tentando fazer algo tão difícil quanto medir G.
A poeira que interfere com as pontas das sondas de medição pode prejudicar as leituras das posições dos cilindros. “Uma segunda preocupação, embora menor”, diz Schlamminger, “é que a poeira que se deposita nas massas da fonte mudará sua massa”.
O experimento G é menor que o projeto pioneiro de Cavendish. Você poderia encaixá-lo em uma mesa de jantar modesta. Aqui, ele fica em uma laje maciça que minimiza as vibrações que conseguem chegar ao laboratório. A câmara de vácuo esconde algumas das partes móveis do aparelho.
Schlamminger está entre corridas no momento, mas quatro massas de fonte de cobre, cada uma com o diâmetro de uma garrafa de refrigerante de 2 litros, estão prontas para a próxima medição G. As massas da fonte andam em um carrossel fora da câmara de vácuo, enquanto as massas de teste ficam no disco suspenso dentro da câmara.
No modo experimental que mais imita o experimento de Cavendish, rastrear a rotação do disco conforme ele gira na fita suspensa oferece uma medida da força entre a fonte e as massas de teste, revelando G. Em outro modo, Schlamminger determina G encontrando o força necessária para impedir que o disco gire.
Um conjunto de massas de fonte de cristal de safira que são do mesmo tamanho que as de cobre estão em uma caixa próxima. Eles podem substituir os de cobre no carrossel para confirmar que G é uma constante verdadeira que não depende dos materiais envolvidos. Com aproximadamente o dobro da massa dos cilindros de safira, as versões de cobre fornecem uma medida melhor de G. Precisamente quanto pesa cada uma das massas da fonte, porém, Schlamminger não sabe. Isso é por causa do número secreto escondido no envelope lacrado.
“O grande M, que é a massa das minhas grandes massas de cobre”, diz ele, “basicamente pedi a esse grupo de massa do NIST que as mediu para adicionar um fator aleatório”. Quaisquer estudos que ele fizer de G estarão um pouco errados devido ao fator aleatório adicionado às verdadeiras massas. O quão longe está a medição não ficará claro até que ele abra o envelope. Então, por que ele não abriu em abril de 2022?
“Eu medi o grande G por três meses sólidos”, diz Schlamminger, antes de abrir a câmara de vácuo para verificar a colocação dos cilindros. “Então fiz outra grande corrida G e o número era diferente. E é por isso que não abri o envelope, porque percebi que há algo que não entendo.”
Acontece que ele havia pré-gravado sua palestra e esperava revelar a resposta em tempo real na reunião. Ele mudou de ideia antes da transmissão da apresentação, e é por isso que o público ficou imaginando.
Há indícios de que as mudanças na qualidade do vácuo que vêm com a abertura e o fechamento da câmara experimental estão relacionadas às mudanças de medição. É outro fator que Schlamminger diz que os pesquisadores terão que ter em mente se quiserem entender as discrepâncias nas medições da constante gravitacional de Newton.
Hoje em dia, Schlamminger está de volta com outra corrida experimental . Mas um ano depois, na reunião da American Physical Society de 2023 em Minneapolis, ele ainda não estava pronto para abrir o envelope. “Tenho muito, muito cuidado com isso porque você não pode abrir o envelope.”
