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Gravedad: ¿Cuáles son los avances de la ciencia?

 

Por: Francisco Xavier Linares Cedeño

Los seres humanos experimentamos desde el inicio de nuestras vidas el efecto de la gravedad: al aprender a mantenernos erguidos para sentarnos cuando somos bebés, para adquirir fuerza suficiente en nuestros brazos y piernas al gatear, y, posteriormente, al alzarnos como seres bípedos, desafiando, con nuestra verticalidad orgullosa, a la fuerza terrestre que nunca deja de atraernos hacia el suelo. Pero ¿qué sabemos sobre la gravedad?

En la escuela nos enseñan que la gravedad es la fuerza que sienten dos objetos debido a sus masas, que si están muy cerca se atraen más, y que si están muy lejos se atraen menos. La persona detrás de este resultado es Sir Isaac Newton, quien en el siglo XVII publicó su obra Principios matemáticos de la filosofía natural, donde expone cómo describir el movimiento de los cuerpos: desde una manzana que cae de un árbol, hasta los planetas girando alrededor del Sol. Fue un paso gigantesco para el conocimiento humano el poder dilucidar que la caída de la manzana y el movimiento de los planetas tienen un mismo origen: la gravedad.

Pasarían unos 300 años para que una nueva descripción de la gravedad fuera propuesta, esta vez para explicar fenómenos donde la gravedad es mucho más intensa, y a escalas tan grandes como el Universo mismo. Esta sería la contribución de Albert Einstein, que con su teoría de Relatividad General, publicada en 1915, lograría profundizar la compresión de los fenómenos gravitacionales.

Así, entendemos la gravedad como una interacción que se manifiesta con mayor importancia a medida que las escalas de distancias y de masas son cada vez más grandes. Por un lado, Newton nos enseña que el Sol, siendo muy masivo, sirve de fuente gravitacional para mantener a los planetas orbitando a su alrededor. Por otro lado, Einstein nos muestra que un sistema conformado por dos estrellas girando una en torno a la otra, como en una danza espiral cósmica, producirán ondas gravitacionales. Sin embargo, cabe preguntar ¿cómo se atraen gravitacionalmente dos cuerpos con poca masa y separadas por muy poca distancia?

A escalas más pequeñas son otras las fuerzas dominantes: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte, por lo que la gravedad no juega un papel muy importante cuando se consideran objetos muy pequeños. Además, dado que vivimos inmersos en el campo gravitacional de la Tierra, la gravedad entre dos cuerpos será muy pequeña en comparación con la gravedad que la Tierra ejerce sobre ellos. Esto hace muy difícil el poder diseñar experimentos para medir cómo se atraen gravitacionalmente dos cuerpos poco masivos separados por distancias pequeñas.

Esta dificultad no ha detenido, por supuesto, a científicos de todo el mundo para realizar experimentos que permitan estudiar la atracción gravitacional entre objetos pequeños. El pasado 10 de marzo, en un artículo científico publicado en la revista Nature, reportaron la interacción gravitacional entre dos esferas de oro, cada una con una masa aproximada de 90 miligramos, un diámetro de dos milímetros, y separados entre sí desde 2.5 hasta 5.8 milímetros. ¿Cómo hicieron para poder observar a dos objetos tan pequeños y tan cercanos interactuar por su atracción gravitacional?

El experimento llevado a cabo se conoce como “péndulo de torsión”. Esencialmente, consta de una barra delgada que está suspendida horizontalmente por medio de un hilo atado a la mitad de la barra, de tal forma que ésta pueda girar, causando torsión en el hilo. En cada extremo de la barra se coloca una esfera de oro, una como masa de prueba, y otra que servirá para balancear la barra y contrarrestar su inclinación. Una tercera esfera de oro (masa fuente) se colocará frente a la masa de prueba, y es entre estos dos objetos que se estudió la interacción gravitacional de la siguiente manera: si la masa fuente atrae gravitacionalmente a la masa de prueba, ésta última se acercará a la masa fuente, provocando que la barra a la que está conectada gire. De manera que midiendo cuánto giró la barra, se sabrá cuánto se acercó la masa de prueba a la masa fuente debido a la gravedad entre ellas. ¡¡Y ya!! Suena simple, pero ¿cómo saber que lo que hizo mover a la esfera de prueba fue la gravedad de la esfera fuente, y no otra cosa? Como la brisa, o algún camión que pasó por la calle fuera del laboratorio y las vibraciones perturbaron al péndulo.

Existen muchas “fuentes de ruido” que se deben controlar para no dar una mala interpretación de los resultados. Estas fuentes de ruido son todos aquellos factores externos al experimento que pueden contribuir al efecto que se quiere medir. Por ejemplo, las dimensiones tan pequeñas de las esferas de oro hacen que hasta el aire pueda moverlas fácilmente. Por esto, el montaje experimental fue llevado a cabo en una cámara de vacío, y así disminuir lo más posible la interacción entre moléculas de aire con las esferas de oro. También las vibraciones debido al tráfico externo que se transmiten al cuarto donde se ubica el experimento, es algo que deben controlar. Para ello, la estructura de soporte del péndulo descansa sobre bases de goma suaves compatibles con el vacío. Estos son solo dos de las muchas consideraciones que los autores tomaron para ser capaces de detectar la atracción gravitacional entre estas diminutas esferas de oro.

Este es un resultado sin precedentes que abre el camino a poder entender la fuerza de gravedad entre cuerpos pequeños. Los autores del trabajo estiman que, con su método, en el futuro se podría estudiar la gravedad entre dos objetos con masas tan diminutas como los microgramos, esto es, del orden de 0.000001 gramos. Newton y Einstein nos enseñaron las leyes de la gravedad a grandes escalas, pero ¿seguirán siendo estas leyes válidas a escalas cada vez más pequeñas? Si bien, aún queda un camino largo por recorrer, experimentos como estos son los que permitirán acercarnos a la respuesta de esta pregunta.

Fuente: https://www.nature.com/articles/s41586-021-03250-7

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