La medida más precisa del valor de la constante de la gravitación universal

El valor de la constante de la gravitación universal de Newton (G) medido por los experimentos físicos ha crecido poco a poco durante los últimos 40 años, aunque el intervalo de error experimental era grande (comparado con el error de otras constantes fundamentales) y ha ido decreciendo. Un nuevo artículo (aceptado para publicación en Physical Review Letters, PRL), en la línea de resultados previos publicados en 2009 también en PRL, indica que quizás se han subestimado los intervalos de error. El nuevo artículo y el del año pasado han obtenido un valor para G bastante menor que el valor oficial publicado por CODATA en 2008 para dicha constante. La figura de la izquierda muestra los valores CODATA de las últimas 4 décadas y los intervalos de incertidumbre asociados a los errores experimentales sistemáticos. También aparecen los resultados de los nuevos dos artículos. Os recuerdo que CODATA es el Comité sobre Datos para Ciencia y Tecnología, con sede en París, que revisa y publica cada cuatro años los valores oficiales de todas las constantes de la física. Un nuevo resultado sorprendente que nos cuenta Eugenie Samuel Reich, “G-whizzes disagree over gravity,” News, Nature, Published online 23 August 2010 [Kanijo, que vuelve a la carga, se me ha adelantado en la traducción]. El nuevo artículo técnico es Harold V. Parks, James E. Faller, “A Simple Pendulum Determination of the Gravitational Constant,” ArXiv, 19 Aug 2010 (aceptado en PRL), y el del año pasado de Jun Luo et al., “Determination of the Newtonian Gravitational Constant G with Time-of-Swing Method,” Phys. Rev. Lett. 102: 240801, 16 June 2009.

El valor experimental de la constante de la gravitación de Newton fue medida por primera vez por el físico británico Henry Cavendish gracias a la balanza que lleva su nombre en 1798. Las mediciones de Cavendish gracias a su balanza de torsión tenían un error del orden del 1%. Las medidas más modernas y más precisas utilizando balanzas de torsión, publicadas en el año 2000 por Jens Gundlach y Stephen Merkowitz de la Universidad de Washington en Seattle, obtuvieron un valor de 6’674215 × 10−11 m3 kg–1 s–2, con una incertidumbre de 14 partes por millón (p.p.m.). El artículo técnico que presentaba este valor es de Jens H. Gundlach y Stephen M. Merkowitz, “Measurement of Newton’s Constant Using a Torsion Balance with Angular Acceleration Feedback,” Phys. Rev. Lett. 85: 2869–2872, 2 October 2000.

Dispositivo experimental utilizado por Parks y Faller en su medida de G de 2004 (publicada en 2010 en PRL).

El artículo de Parks y Faller, aceptado en Physical Review Letters, mide el valor de G mediante un péndulo gracias a un interferómetro láser y diferentes masas. Su resultado es 6’67234 × 10−11 m3 kg−1 s−2, con una incertidumbre de 21 p.p.m. Un resultado que difiere en 10 desviaciones estándar por debajo del valor de Gundlach y Merkowitz (medido en 2000). El artículo de Jun Luo et al. publicado en 2009 en Physical Review Letters midió el valor de G utilizando un variante del experimento de Cavendish con un péndulo de torsión y obtuvieron un valor de 6’67349 × 10−11 m3 kg−1 s−2, con una incertidumbre de 26 p.p.m., aproximadamente 3 desviaciones estándar por debajo del valor de Gundlach y Merkowitz. El valor oficial CODATA para G, calculado por Stephan Schlamminger et al., “Measurement of Newton’s gravitational constant,” Phys. Rev. D 74: 082001, 4 October 2006, en concreto 6’674 252(109)(54) × 10−11 m3 kg−1 s−2, con una incertidumbre de 18 p.p.m., es compatible con las medidas de Gundlach y Merkowitz.

Resultados experimentales de Parks y Faller obtenidos entre mayo y junio de 2004 (PRL, 2010).

Stephan Schlamminger, de la Universidad de Washington, que midió G en 2006 mientras estaba en la Universidad de Zurich, Suiza, dice que no puede explicar la inconsistencia entre su medida y las dos nuevas. Puede deberse a un error sistemático. Barry Taylor, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, Maryland, recuerda que medir G es muy difícil y que “la gente está, obviamente, pasando por alto efectos que no están teniendo en cuenta en sus experimentos.” Faller, uno de los autores de la nueva medida de 2010, dice que llevó a cabo el experimento en 2004 y que lleva 6 años buscando efectos que podrían haberle pasado por alto, pero que como no los ha encontrado, está seguro de que su medida es sólida: “Creo que lo he comprobado todo y tengo que lavarme las manos en este tema.”

¿Qué hará el CODATA? El nuevo valor de G, valor CODATA oficial de 2010, será publicado a principios de 2011. Barry Taylor, miembro del comité del CODATA para el valor de G afirma que “estos nuevos valores disminuirán su valor, pero la incertidumbre publicada será la misma o mayor.”

2 comentarios

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Javi Javi

Bueno, hay varias opciones. Puede que las medidas antiguas tengan mal el intervalo de error. Que las medidas nuevas tengan mal (al menos) el valor esperado. Puede que no hayan tenido en cuenta cosas como perturbaciones, vetas de minerales muy densos que haya cerca o cosas por el estilo. La frase “utilizando diferentes masas” en el experimento que da la masa más baja me hace pensar que habría que ver si hay alguna correlación entre las masas usadas y el valor obtenido en cada medida, si no lo han hecho ya.

No soy investigador pero hasta donde creo entender la relatividad, creo que algo como eso no violaría el principio de equivalencia. Que eso sí sería preocupante (o difícil de creer)

Javi Javi

Perdón, el experimento no da la masa más baja, da la constante de gravitación más baja.

Sorry, sorry…

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