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Un experimento ha demostrado que la ley de la gravedad de Newton se cumple con dos masas inferiores a 100 miligramos. La medición de campos gravitatorios tan débiles se adentra en el mundo cuántico y puede ayudar en las investigaciones sobre materia oscura.
Las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza son la nuclear fuerte, la nuclear débil, la electromagnética y la gravedad, que sigue siendo una gran desconocida. A pesar de que es la más fácil de comprender y percibir a escala humana –los objetos caen con la misma aceleración, la Tierra nos atrae, etcétera–, es todo un quebradero de cabeza para la física teórica.
La gravedad no logra encajar en el modelo estándar de física de partículas, algo que sí logran las otras tres interacciones. Parece que está desconectada de la teoría cuántica, y los experimentos para tratar de medirla no pueden aislarse de la fuerza gravitatoria que ya existe en nuestro planeta.
Pero ahora un equipo de la Facultad de Física de la Universidad de Viena (Austria) y del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI) ha construido un experimento con diminutas esferas de oro, de 90 miligramos y un milímetro de radio, con el que han logrado aislar el campo gravitacional más pequeño que se haya medido hasta la fecha.
Antes de este, los ensayos para probar la naturaleza de la gravedad en entornos controlados usaban masas macroscópicas, con pesos diez veces superiores al de la investigación austriaca.
Según explica a SINC Hans Hepach, doctorando en Física de la Universidad de Viena y coautor del trabajo, este experimento resulta importante porque, a día de hoy, se desconoce si la gravedad requiere “una descripción cuántica para los tamaños y masas más pequeños; y resulta fascinante ver cómo se comporta la gravedad en objetos que se acercan al régimen cuántico con estos experimentos”.
“Nuestro experimento es un primer paso en esta dirección”, destaca Hepach, quien añade: “Esta medición podría allanar el camino hacia experimentos que exploren nuevas áreas de la física fundamental, como el sondeo de la materia oscura o la interacción entre la física cuántica y la gravedad”.
Los autores, que publican su estudio en el último número de Nature, han diseñado el experimento para aislar la gravedad como una fuerza de acoplamiento entre las dos diminutas esferas. Estos ensayos requieren entornos de “aislamiento casi perfecto” para observar y ver cómo se comporta esta fuerza.
La configuración del experimento permite minimizar las influencias de perturbaciones externas, utilizando por ejemplo un escudo de Faraday para bloquear las fuerzas electrostáticas. Para reducir los efectos sísmicos y acústicos, se conecta una de las esferas a una cámara de vacío, y la otra se acerca periódicamente, lo que permite aislar el acoplamiento gravitacional, que puede detectarse por un cambio en la señal de rotación.
Péndulo de torsión en el que se ha logrado medir la interacción gravitatoria entre las dos esferas de oro. / Tobias Westphal/Universidad de Viena
Los resultados se ajustan a lo que esperaba con la física clásica newtoniana: la interacción de la gravedad entre estos dos cuerpos depende de sus masas y la distancia a la que se encuentren.
Para lograr el aislamiento de la gravedad terrestre se ha usado una balanza de torsión en miniatura. Este instrumento consiste en una barra suspendida de un cable de gran rigidez que actúa en dirección vertical contraria a la gravedad terrestre.
Pero en el plano horizontal, el cable puede retorcerse fácilmente y con una constante del resorte ínfima que permite que fuerzas muy débiles aplicadas en este plato provoquen grandes rotaciones de la barra. Por ello, en esta barra se produce un entorno casi sin gravedad (o lo que es más correcto, en microgravedad) que permite realizar el experimento.
“Esto resulta perfecto para determinar fuerzas muy pequeñas, como las que provoca el interacción gravitacional de las esferas de oro”, valora en un artículo paralelo en en Nature el investigador Christian Rothleitner, del Instituto Federal de Técnicas Físicas de Alemania (PTB).
Hepach adelanta que el equipo de investigación ya trabaja en próximos experimentos con entornos aún más controlados: “Planteamos mejorar el sistema de detección de la fuerza gravitatoria, realizando el experimento en un barrio más alejado del tráfico y silencioso, además de perfeccionar nuestros osciladores, reduciendo así las perdidas internas y aumentando aún más la sensibilidad”.
Referencia:
Westphal, T., Hepach, H., Pfaff, J. & Aspelmeyer, M. "Measurement of gravitational coupling between millimetre-sized masses". Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03250-7.
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