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Já se passaram 340 anos desde que Newton e os cientistas ainda não resolveram o segredo da gravidade
Comemorando seu 340º aniversário este ano, a constante gravitacional é a constante fundamental mais antiga da física. “Grande G“como é carinhosamente conhecido, foi colocado pela primeira vez no cerne da lei da gravitação universal de Newton durante sua formulação em 1686 e publicado formalmente um ano depois como uma estimativa ainda a ser medida no livro de Newton Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Mas depois de todos estes séculos, o Big G ainda é ironicamente a constante fundamental com o valor menos restrito.
Atualmente, os cientistas estimam uma gama de valores alcançados para o Grande G, o que significa que não podemos ter certeza absoluta se temos uma boa compreensão da gravidade ou se há algo faltando na nossa formulação. Esta é uma situação que Stephan Schlamminger, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), passou os últimos dez anos a tentar resolver, um esforço que terminou com a abertura de um envelope contendo uma resposta desconhecida, uma situação mais normalmente associada ao Oscar ou a alguma outra cerimónia de entrega de prémios chamativa do que a uma experiência de física.
Neste caso, porém, o drama é justificado; O Big G é tão onipresente nas equações que usamos para descrever o universo que a incerteza em seu valor é um tanto desconfortável para os cientistas, especialmente para os metrologistas (nada a ver com o clima, mas os cientistas que estudam medição) como Schlamminger.
“G é o segredo mais bem guardado da gravidade. Ele fica nesta posição peculiar: é a constante fundamental mais antiga que conhecemos, Newton a escreveu em 1687, e ainda assim continua sendo a menos conhecida com precisão de todas elas”, disse Schlamminger ao Space.com. “Isso me parece um dos grandes embaraços não resolvidos da física.”
Repensando o Grande G
A constante gravitacional foi introduzida como parte da equação que sustenta Lei da gravitação universal de Newtonque descreve a força de atração que atua entre todas as partículas do universo e que é inversamente proporcional ao quadrado da distância que separa os centros de massa dessas partículas. Embora as massas e distâncias utilizadas nestas equações sejam ajustáveis, o valor do Big G permanece fixo. Portanto, esta constante fundamental é a chave para calcular a força da gravidade em todo o universo.
É claro que, em 1915, a teoria da gravidade de Newton foi suplantada pela teoria geométrica da gravidade de Einstein, relatividade geralque vê essa força fundamental surgir da curvatura da estrutura do espaço-tempo (a unificação quadridimensional do espaço e do tempo) causada por objetos com massa. No entanto, o Big G sobreviveu a esta mudança de paradigma, embora com um papel ligeiramente revisto.
“Big G é uma constante fundamental. Como tal, está inserida no nosso universo e tem um certo valor que é o mesmo para todo o tempo e em todo o espaço”, disse Schlamminger. “Ele fornece a força da gravidade na física newtoniana. Na teoria da gravidade de Einstein, determina o quão elástico é o espaço-tempo. Quanto menor G, mais resistente espaço-tempo é ser deformado ou deformado por objetos massivos como estrelas ou planetas.”
O primeiro esforço para medir o Big G é creditado ao físico Henry Cavendish em 1798. Cavendish foi capaz de medir a atração gravitacional entre esferas de chumbo grandes e pequenas, calculando assim a densidade da Terra e chegando ao primeiro valor preciso para o Big G.
No entanto, mesmo com os avanços no equipamento científico e no poder computacional registados nos últimos 227 anos, o Big G permaneceu extremamente difícil de medir.
“A gravidade é de longe a mais fraca das quatro forças fundamentais, o que torna extraordinariamente difícil isolar e medir com precisão. Não se pode proteger contra a gravidade da mesma forma que se protege contra campos eléctricos ou magnéticos”, disse Schlamminger. “Tudo atrai todo o resto, o tempo todo.”
Schlamminger explicou que, ao contrário da maioria dos experimentos de física, nos quais os cientistas podem, em suas palavras, “aumentar o sinal”, os pesquisadores ficam presos a trabalhar com qualquer que seja a gravidade.
“Agora temos 17 medições de G, e elas ainda se espalham mais do que deveriam. Ninguém sabe por quê”, disse Schlamminger. “Ficamos perturbados com a grande dispersão no conjunto de dados. Para um metrologista, é insatisfatório ter medições que não convergem.”
Abrindo o envelope
Para realizar a medição do Big G, Schlamminger e uma equipe de cientistas replicaram um experimento de precisão inicialmente conduzido pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) em Sèvres, França, transferindo-o para o NIST em Gaithersburg, Maryland, EUA. Isto trouxe consigo os seus próprios riscos, armadilhas intelectuais que os investigadores tiveram o cuidado de evitar.
“Queríamos ter certeza de que não cairíamos na armadilha conhecida como ‘bloqueio de fase intelectual’. Isso acontece quando você olha para o resultado da sua medição e o compara com o valor da literatura ou com o valor medido anteriormente com o mesmo instrumento”, disse Schlamminger. “Neste caso, você pode parar inconscientemente quando a medição estiver de acordo com qualquer expectativa que se tenha. Isso não é malícia ou intenção. Acontece em um nível subconsciente e é difícil de se proteger.”
Schlamminger teve uma ideia fascinante para evitar isso: pedir a um colega que definisse um valor ou “viés” a ser adicionado aos pesos usados no experimento, do qual a equipe desconheceria. Isso significava que Schlamminger e seus colegas não saberiam o valor do Big G a que haviam chegado até que o preconceito fosse revelado.
“Pedimos ao grupo de massa que adicionasse um viés a todas as massas que eles pesavam para nós. Esse viés foi armazenado em um envelope, e só abrimos o envelope quando estávamos satisfeitos com a autoconsistência de nossos dados”, disse Schlamminger.
Este envelope foi aberto em 11 de julho de 2024, dois anos depois de ter sido inicialmente planejado para ser aberto em 2022. Esse atraso ocorreu porque Schlamminger percebeu que havia perdido um fator sutil, mas importante, relacionado à pressão do ar em seus cálculos.
O valor do Big G obtido pela equipe foi 0,000064 inferior ao valor atualmente detido pelo Comitê de Dados do Conselho Científico Internacional (CODATA).
“Se você tivesse um relógio com atraso de 0,000064 (segundos) após um ano, seu relógio estaria com atraso de 34 minutos”, explicou Schlamminger.
Esta é uma pequena diferença, mas tem conotações interessantes. Por exemplo, se o valor do Big G obtido por esta equipe estiver correto, então A Terra tem uma massa isso é superior ao valor atualmente aceito em 320.000.000.000.000.000.000 quilogramas, ou cerca de 360 quatrilhões de toneladas.
“Quero ser claro: o mistério não está resolvido. A discordância subjacente entre os experimentos ainda estará lá, esperando que alguém a explique”, disse Schlamminger. “É isso que mantém este campo vivo.” Quanto a este metrologista, dez anos investigando o Big G são suficientes por enquanto.
“Por enquanto, estou me afastando constantes fundamentais. Essas medições levam anos, às vezes décadas, e exigem muito de você”, concluiu Schlamminger. “Quanto a mim, estou voltando minha atenção para medições precisas de grandezas elétricas, resistores e capacitores, onde espero causar problemas semelhantes!”
Os resultados da equipe foram publicados na revista Metrologia.
