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Ago

31

Refinando la Gravedad de Newton

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Refinando teorías    ~    Comentarios Comments (3)

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Una nueva medida de la constante de gravedad y de la masa de la TierraLas constantes que miden el mundo

             Las constantes que rigen el Mundo

Reportaje de Ciencia en el País

Científicos chinos redefinen la constante de gravitación universal postulada por Newton en 1686. 

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Los investigadores se han inspirado en uno de los experimentos más bellos de la historia de la humanidad

El físico Jun Luo (derecha) y su equipo, junto a uno de sus aparatos.

             El físico Jun Luo (derecha) y su equipo, junto a uno de sus aparatos. HUST
 

El científico británico Henry Cavendish “probablemente pronunció menos palabras a lo largo de su vida que cualquier hombre que haya vivido durante ochenta años, incluyendo los monjes trapenses”, según describió con guasa su contemporáneo Lord Brougham. Cavendish, nacido en 1731 y fallecido en 1810, fue efectivamente introvertido y solitario. Era “el más rico de todos los sabios y el más sabio de todos los ricos”, en palabras del astrónomo francés Jean-Baptiste Biot. Pero, en silencio y encerrado en su mansión, descubrió el hidrógeno y la composición del agua. Y, en 1798, concibió uno de los experimentos más audaces de la historia de la humanidad. Hoy, un equipo de científicos chinos se ha subido a sus hombros para redefinir, con una precisión sin precedentes, una de las constantes más importantes para describir nuestro universo, junto a la velocidad de la luz.

“Un experimento ingenuo  para medir la masa de la Tierra podía basarse calcular su volumen y su densidad. El volumen lo conocemos desde que Eratóstenes determinó el radio de la Esfera Terrestre y la densidad podíamos calcularla haciendo un muestreo de las rocas silíceas (basaltos y granitos) que componen el 90% de  la corteza terrestre  y tomar el promedio de las muestras como densidad de la Tierra. Así:

Vol. de la Tierra = (4/3)· π·63703 km3 = 1082696932430,0023061493675 km3 =

= 1 082 696 932 430 002 306 149,368 m3 ≈ 1,083·1021 m3.

Como la densidad de la corteza terrestre es aproximadamente 2.800 kg/m3, la masa de la Tierra:

Masa de la Tierra = 2.800 ·1,083·1021  = 3,0324·1024 kg

Este resultado es aproximadamente la mitad del valor calculado de la masa de la Tierra. El error del cálculo procede de que la densidad de la Tierra aumenta a medida que  se avanza hacia el centro de la misma, llegando a alcanzar en el núcleo interno densidades de 13.000 kg/m3.  La  medida de la masa de la Tierra no realizó desde la Geología, sino que se llevó a cabo desde la Ley de Gravitación Universal de Newton.”

Resultado de imagen de Cavendish sabía la densidad de la Tierra

Cavendish tenía ya casi 70 años y se había propuesto averiguar la densidad del planeta Tierra. Para ello necesitaba la constante de gravitación universal (G) postulada por Isaac Newton un siglo antes. El anciano, siempre callado, construyó una especie de balanza en el sótano de su casa en el sur de Londres: dos esferas pequeñas, fijadas a los extremos de una varilla horizontal suspendida del techo por una fina fibra. Al acercar dos esferas de plomo de mayor tamaño, de unos 160 kilogramos cada una, la fuerza de atracción que sufrían las otras dos bolitas hacía que la varilla girase, y todo ello de manera perceptible gracias a un juego de espejos, luces y telescopios instalado por Cavendish.

El físico Henry Cavendish construyó una balanza en el sótano de su casa en 1798 para ver el efecto de la fuerza gravitacional

En su libro Principios matemáticos de la filosofía natural, publicado en 1686, Newton había formulado que la interacción gravitatoria entre dos cuerpos se podía expresar como una fuerza directamente proporcional al producto de las masas de esos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Empleando esta fórmula y las observaciones en su sótano, el tímido Cavendish llegó a la conclusión de que la densidad media de la Tierra era 5,48 veces mayor que la del agua. Y no falló mucho: hoy se calcula que la cifra correcta es 5,51.

Resultado de imagen de Un equipo dirigido por Luo Jun, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong (China

Un equipo dirigido por Luo Jun, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong (China), ha refinado de manera extrema el experimento de Cavendish, con bolas de acero y cámaras de vacío, y ha llegado a dos mediciones similares con dos aparatos independientes: 6,674184 × 10−11 y 6,674484 × 10−11 metros cúbicos partido kilogramo por segundo al cuadrado. Es “una precisión récord”, según reconoce el físico Stephan Schlamminger, del Instituto Nacional de Normas y Tecnología. Las nuevas medidas se publican hoy en la prestigiosa revista Nature.

La búsqueda de la mayor exactitud posible no es un capricho. Los geofísicos utilizan la constante G para estudiar la estructura y la composición de la Tierra. Y también es esencial en campos como la física de partículas y la cosmología, la parte de la astronomía que estudia el origen y el futuro del universo.

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Sabemos lo que hace pero… “El verdadero valor de G sigue siendo desconocido”, admite Luo Jun

 

“El verdadero valor de G sigue siendo desconocido”, admite, no obstante, el profesor Luo. La dificultad de medir la constante es endiablada. La fuerza gravitacional que ejerce el Sol es tan grande que impide que el planeta Tierra huya por el espacio. Sin embargo, en un laboratorio, la fuerza gravitacional entre dos objetos de un kilogramo separados por un metro equivale al peso de un puñado de bacterias. Es una fuerza “extremadamente débil”, en palabras de Luo.

El Comité de Información para Ciencia y Tecnología (CODATA), con sede en París, es el organismo internacional de referencia para esta constante. En 2014, sus expertos adoptaron 14 valores de G determinados en las últimas cuatro décadas en diferentes laboratorios de todo el mundo. “La diferencia relativa entre el mayor y el menor valor de G es cercana al 0,055%. Esta situación no nos permite obtener un valor de G con alta precisión”, lamenta Luo.

Pese a la precisión de sus resultados, los científicos chinos han obtenido dos datos distintos con dos aparatos ligeramente diferentes e independientes. El equipo no sabe explicar esta discrepancia. “Hay algo que desconocemos todavía y necesitamos más investigación”, afirma Luo. O, quizás, necesitamos otro Henry Cavendish.

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EL ESCÁNDALO DEL KILOGRAMO

“Es un escándalo que la unidad de masa sea todavía un objeto físico”, se lamentaba hace un mes William Daniel Phillips, premio Nobel de Física, en una conferencia internacional de física atómica celebrada en Barcelona. Se refería al kilogramo, cuyo prototipo de referencia es un cilindro de platino-iridio —custodiado en un sótano de París— que define la unidad de masa desde el siglo XIX en el llamado sistema internacional.

tiempo de plank

longitud de plank

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Ya en 1899, el físico alemán Max Planck sugirió acabar con esta arbitrariedad y planteó crear un sistema de unidades basado en las constantes de la naturaleza, ajenas a los constructos humanos. “Propuso utilizar la velocidad de la luz, la constante de Planck y la constante de gravitación universal de Newton”, señala el físico chino Jun Luo. “Sin embargo, este sistema de unidades no es completamente competitivo frente al actual sistema internacional, debido a la escasa precisión de la constante de gravitación”, lamenta el investigador de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong.

 

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