Tobias Westphal / Universidad de Viena
La gravedad puede parecer una de las fuerzas más familiares, pero en realidad es una de las que menos entendemos. Sabemos que nuestro modelo actual de gravedad es incompatible con la mecánica cuántica. También ignora los fenómenos que hemos llamado materia oscura y energía oscura. Desafortunadamente, estudiar la gravedad es extremadamente difícil porque es, con mucho, la más débil de las fuerzas. Para solucionar este problema de detección de ondas gravitacionales, tuvimos que construir dos enormes observatorios, lo suficientemente separados para que el ruido que afecta a uno no fuera captado por el otro.
Las ondas gravitacionales que hemos detectado provienen de objetos totalmente masivos como estrellas de neutrones y agujeros negros. Ahora, investigadores en Viena han anunciado avances en la detección de la fuerza gravitacional generada por objetos diminutos, en este caso, esferas de oro de solo dos milímetros de diámetro y que pesan menos de una décima de gramo. Su trabajo proporciona la primera medida de gravedad a estas escalas, y los investigadores están bastante seguros de que pueden ser más pequeñas.
Es tan alto
El trabajo en cuestión involucra un dispositivo bastante típico para este tipo de experiencia. Es una barra sólida con una bola dorada unida a cada extremo. La barra está suspendida en su punto central, lo que le permite girar libremente alrededor del plano horizontal. También hay un espejo colocado en su punto central, que se utiliza para reflejar un láser.
Si se acerca una masa a una de las bolas doradas, ejercerá una fuerza gravitacional que empujará la bola hacia ella. La rotación resultante hará que el espejo gire con él, cambiando el lugar donde termina reflejándose el láser. Esto crea una medida extremadamente sensible de la atracción gravitacional generada por la masa. O lo haría si el ruido ambiental no lo abrumara todo.
El catálogo de fuentes de ruido que los autores deben tener en cuenta es impresionante. Para empezar, los investigadores estiman que la fuerza gravitacional que están tratando de medir también podría ser generada por una persona que camine a menos de 3 metros de la configuración experimental o por un tranvía de Viena que viaje a menos de 50 metros de ella. Finalmente, realizaron el experimento por la noche durante las vacaciones de invierno para reducir las fuentes extraviadas de interferencia gravitacional, lo que tuvo el efecto adicional de reducir el ruido sísmico local.
Todo el experimento se realizó dentro de una aspiradora, y encontraron pies de goma que se mantienen suaves en la aspiradora para amortiguar la estructura que mantiene suspendida la barra de metal.
Antes de evacuar el experimento, los investigadores inundaron el dispositivo con nitrógeno ionizado para eliminar cualquier carga parasitaria. Y, por si acaso, pusieron un escudo de Faraday entre las dos bolas doradas para bloquear cualquier atracción electrostática.
Si bien todo esto mantuvo el ruido del experimento extremadamente bajo, la señal de atracción entre dos esferas de oro de 90 miligramos también será extremadamente débil. Entonces, en lugar de simplemente medir la atracción, los investigadores movieron la esfera en un patrón regular, creando una atracción resonante continua. La frecuencia de esta resonancia se ha elegido cuidadosamente para que sea muy diferente de las resonancias naturales del péndulo formado por la barra.
Pequeñas fuerzas
El comportamiento de toda la instalación es monitoreado por una cámara de video que monitorea constantemente la posición de las dos esferas doradas. Durante el experimento, su separación varió de 2,5 milímetros a 5,8 milímetros. En general, los investigadores estiman que su sistema es capaz de acelerar tan solo 2 x 10-11 metros / segundo2, aunque se necesitaría alrededor de medio día de seguimiento para hacer esto.
En general, la fuerza gravitacional aquí terminó siendo de alrededor de 9 x 10-14 Newtons. Los investigadores también utilizaron sus resultados para derivar la constante gravitacional. Aunque esto termina siendo un poco poco convencional (9%), permanece dentro de las incertidumbres de su medición experimental.
El resultado es un logro técnico impresionante. Pero los investigadores creen que 90 mg es en realidad el lado pesado de las cosas que podrían medirse de esta manera. Y, a medida que las cosas se vuelven más ligeras, hay algunas cosas dramáticamente extrañas que podrían potencialmente probarse.
Por ejemplo, como se mencionó anteriormente, nuestra teoría de la gravedad es incompatible con la mecánica cuántica. Pero hemos logrado que los sistemas cada vez más grandes se comporten como objetos cuánticos. Si obtenemos estas medidas suficientemente sensibles, entonces podría ser posible medir la atracción gravitacional de un objeto que se encuentra en una superposición cuántica entre dos ubicaciones. En otras palabras, no hay forma de saber dónde está exactamente, mientras que al mismo tiempo la fuerza gravitacional que ejerce depende de dónde se encuentre.
Otras pruebas potenciales incluyen algunas variaciones de la teoría de cuerdas, dinámica newtoniana modificada (MOND, un reemplazo hipotético e impopular de la materia oscura) y alguna explicación de la energía oscura. Pero todo esto dependerá totalmente de que esta configuración experimental opere bien en masas, mucho más pequeñas que la escala de miligramos. Entonces, como primer paso, será importante que los investigadores detrás de este trabajo demuestren que tienen al menos parte de la capacidad prometida para la reducción.
Naturaleza, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03250-7 (Acerca de los DOI).
