La polémica de la constante de gravitación universal

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Medir la constante de gravitación universal de Newton (G) con precisión es muy difícil. Terry Quinn y sus colegas de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de París han medido su valor con una balanza de torsión obteniendo un resultado sorprendente, similar al que ya obtuvieron en 2001. Su nuevo valor G = 6,67545(18) × 10‾¹¹ m³ kg‾¹ s‾² tiene un error de 27 ppm, está a 21 ppm del valor obtenido en 2001, pero está a 241 ppm del valor oficial CODATA 2010, cuyo error oficial son 120 ppm. La balanza de torsión utiliza cuatro masas de 11 kg de Cu-Be que influyen sobre una masa de prueba de 1,2 kg de Cu-Be y ha sido reconstruida en su totalidad respecto a la versión usada en 2001, incluyendo gran número de mejoras. ¿Qué falla en su método de medida? ¿Por qué todas las mejoras introducidas no han corregido su resultado? ¿Se equivocan todos los demás? Nadie lo sabe, pero la polémica está servida. Nos lo cuentan en “Synopsis: An Uncertain Big G,” Physics, Sep. 5, 2013, siendo el artículo técnico Terry Quinn, Harold Parks, Clive Speake, Richard Davis, “Improved Determination of G Using Two Methods,” Phys. Rev. Lett. 111: 101102, Sep 5, 2013.

Dibujo20130912 bipm mk ii g apparatus - cu-te 11 kg source - figure caption - prl aps org

La tabla que abre esta entrada muestra la gran dispersión que hay entre los valores de G medidos por diferentes experimentos. Por ello, el error del valor oficial CODATA 2010 es unas diez veces más grande que los errores de muchas de dichas medidas. El objetivo de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de París era obtener un experimento que resolviera esta situación. Pero no lo logró; el resultado que obtuvo en 2001 tenía un error de 41 ppm, pero estaba a 200 ppm del valor obtenido por Gundlach y Merkowitz en el año 2000, quienes afirmaban tener un error de 14 ppm. La repetición del experimento ha vuelto a reabrir la polémica.

19 pensamientos en “La polémica de la constante de gravitación universal

  1. La constante de gravedad, la primera constante de una fuerza fundamental, y la peor conocida. Ironías de la historia de la Física. La gravedad: la última fuerza en ser descrita por una teoría cuántica de forma consistente y “aceptada” (teorías y modelos de gravedad cuántica tenemos, pero ninguno ha demostrado aún ninguna de sus predicciones no estándar fuera de las que hay en gravedad newtoniana o relatividad general).

    • Otro misterio relacionado conla gravedad, la variación a 3 sigmas, creo que aún inexplicada, de la excentricidad de la órbita de la luna en torno a la Tierra (véanse artículos de Iorio et. alii). Dicha variación no puede ser explicada por efectos conocidos. Podría ser sistemático (a ser menos de 3 sigmas), pero es una anomalía cuyo origen no está explicado. Es curioso que finalmente la anomalía de la Pioneer fuera explicada por física estándar, aunque ciertamente la anomalía Pioneer daba un valor sospechosamente similar a la de la aceleración Mond…Posiblemente esto fue casualidad, aunque siempre hay que estar al tanto de anomalías.

      Es gracioso que la incluso la constante dimensional de la interacción débil la podemos determinar hoy mejor que la de la gravedad…

      • Amarashiki, como bien sabrás hay explicaciones más sencillas para esta anomalía lunar en las medidas del Lunar Laser Ranging (LLR), basta con pensar que el espejo colocado en la luna se está enterrando poco a poco en el polvo del suelo lunar (basta que se entierre unos 0,6 mm al año, es decir, unos 2,4 cm desde que fue instalado, para explicar la anomalía). Y además, la Luna no tiene un núcleo sólido (como han mostrado la pareja GRAIL), ni la Tierra tampoco. Luego la anomalía de Lorenzo Iorio tiene muchas explicaciones sencillas).

      • Sí Francis, hay muchas explicaciones sencillas y es un efecto pequeño de 3 sigmas (me refería a que no es significativo y ciertamente puede tener muchas explicaciones simples sistemáticas o metodológicas, pero me gusta comentar cosas light de vez en cuando, y más por cómo anda el patio), pero bueno, así pude contar un poco como excusa lo de las diferentes muertes y resucitaciones del planeta X: Némesis, Tyche, Thelistos,… En el fondo es la física misma y sus medidas de precisión lo que pone a cada teoría en su sitio.

        Supongo que conocerás que hace bastantes años (yo recuerdo haberlo leido alguna vez en libros antiguos durante la uni) se especuló sobre las variaciones en el tiempo de G por discrepancias entre varios experimentos. Yo les cuento a mis alumnos cuando les explico la ley de Newton que medir G es difícil (la medida de Cavendish original fue de hecho notable para su época!) y que las variaciones de G en el tiempo o en el espacio están muy acotadas pero no prohibidas. De hecho teorías BSM como cuerdas inducen de forma natural teorías en las que hay de forma natural variaciones de G. Lo importante por su puesto es cómo es esa variación que parece muy fina y limitada, aunque comparándola con las otras constantes de acoplo, no hay color, G tiene muchas incertidumbres…

        Cualquier potencial no newtoniano hace de forma natural depender G con la distancia r a la fuente del campo (publicaré pronto algo sobre eso, de hecho lo estoy escribiendo también para incluirlo en mi pdf del curso de Murayama como material extra, jejje).

        También leí una vez que alguien propuso que G podría ser una variable “aleatoria” estocástica y variar más que cualquier otra constante y que eso la diferenciaba del resto de interacciones. Pero eso lo leí hace mucho, y de forma muy puntual en un libro de un peso pesado de la gravedad que no recuerdo (desde luego no creo que esté en el Misner, Wheeler y Thorne, pero tampoco me he puesto a leerle de nuevo…). Desde luego, algo raro pasa con la gravedad a cortas Y largas distancias (personalmente, no creo que dark matter sea la solución totalmente, me inclino a pensar que tanto MOND/MOG como dark matter tienen parte de razón en las curvas de rotación y el comportamiento de los clusters).

  2. Bueno, el tema de la Luna podría estar relacionado con el tampoco bien aclarado nunca del todo tema de la precesión terrestre, y sobre todo, la anomalía mayúscula del momento angular del Sol-Sistema Solar. Para esto una solución simple y elegante es que algún cuerpo de masa muy considerable (me temo que mayor que Júpiter), y sobre todo, con una capacidad sorprendente de pasar desapercibido (ser opaco hasta en IR), resuelve la papeleta bastante bien (es decir, casi una enana marrón a distancias bestiales, más de 400 UA). Porque me temo que esto afectaría a un montón de cosas.
    Excuso decir que tal objeto prácticamente no se habría movido aparentemente en los últimos siglos (período próximo a 12.000 años, que se sugiere en parte por la precesión -que entonces estaría interferida por el movimiento del baricentro del Sistema Solar, interpretada erróneamente, y en parte por las extrañas órbitas, totalmente inestables a “corto” plazo, de muchos TNO, KBO y demás).

    • La hipótesis de tal cuerpo (se ha llamado por alguno Thelistos, por otros Tyche, por otros Némesis, antiguamente planeta X) se descarta aunque todavía quedan misterios que tal cuerpo podría resolver. Se esperaba que WISE aportara pruebas definitivas sobre la existencia de este cuerpo, pero hasta donde yo conozco, WISE no ha visto nada,…Además, los datos del IRAS no parecen favorecer tal cuerpo.

      La anomalía del sistema tierra-luna que menciono NO puede solucionarse con un planeta gigante más allá de plutón, …Pues para producir el efecto pedido debería estar demasiado cerca. Eso ya lo comenta Iorio en sus trabajos.

      Sobre que exista otro objeto más allá de plutón y el cinturón de Kuiper como los que proponen Tyche o Thelistos, la certidumbre es escasa y la gente es escéptica, como yo. Con los instrumentos que tenemos, muy excéntrica tendría que tener su órbita y muy raro debería ser ópticamente el objeto.

      Sobre las anomalías de los TNO, KBO, que mencionas…Quizás la más llamativa sea la de Sedna…Sin embargo Sedna podría ser meramente un cuerpo capturado por la gravedad solar, aunque ciertamente es intrigante el patrón de su órbita…No es necesariamente prueba de la existencia de un cuerpo masivo como Tyche o Némesis aunque ciertamente su órbita y en menor medida la de otros cuerpos podría ser explicada por la perturbacion de tal objeto.

      Si Tyche-Thelistos-Némesis-Planeta X existe oculto en el cinturón de Kuiper o más alla, sería ciertamente sorprendente que hubiera pasado inadvertido a nuestros instrumentos hasta ahora,…

      La hipótesis Tyche para preveer la entrada de los cometas en ciertas direcciones predeterminadas ha causado cierta polémica, pero como ocurre en ciencia, si tal objeto no es observado, no existe. Hallar la evidencia de tal cuerpo es casi tan sutil como hallar materia oscura. Quizás va en la direccion equivocada…

    • Por cierto, la hipótesis Tyche menciona que el susodicho cuerpo tipo enana marrón estaría a una distancia de unas 15000 UA por lo menos (mucho más lejos que las 400 UA que mencionas). El artículo más reciente sobre esta idea es de Iorio también: http://arxiv.org/abs/1301.3831

      abstract: The radio tracking apparatus of the New Horizons spacecraft, currently traveling to the Pluto system where its arrival is scheduled for July 2015, should be able to reach an accuracy of 10 m (range) and 0.1 mm s^-1 (range-rate) over distances up to 50 au. This should allow to effectively constrain the location of a putative trans-Plutonian massive object, dubbed Planet X (PX) hereafter, whose existence has recently been postulated for a variety of reasons connected with, e.g., the architecture of the Kuiper belt and the cometary flux from the Oort cloud. Traditional scenarios involve a rock-ice planetoid with mX = 0.7mE at some 100 – 200 au, or a Jovian body with mX = 5mJ at about 10,000 – 20,000 au; as a result of our preliminary sensitivity analysis, they should be detectable by New Horizons since they would impact its range at a km level or so over a time span six years long. Conversely, range residuals statistically compatible with zero having an amplitude of 10 m would imply that PX, if it exists, could not be located at less than about 4,500 au (mX = 0.7mE) or 60,000 au (mX = 5mJ), thus making a direct detection quite demanding with the present-day technologies. As a consequence, it would be appropriate to rename such a remote body as Thelisto. Also fundamental physics would benefit from this analysis since certain subtle effects predicted by MOND for the deep Newtonian regions of our Solar System are just equivalent to those of a distant pointlike mass.

      • Gracias por un par de datos que no conocía xD.

        No, a ver, no podría estar *más cerca* de 400 UA, eso ya prácticamente descartado, a partir de ahí donde tú lo quieras poner. Obviamente, cuanto más lejos, más masa, pero entonces ya no serviría para explicar la anomalía de momento angular, pues si está tan lejos como 15000 UA es muy difícil que sea un cuerpo que se haya formado con el Sistema Solar (y en consecuencia que haya habido transferencia de momento durante su formación en el disco protoplanetario).

        Por lo que he leído, de existir tal cosa, aparte de propiedades reflectivas, efectivamente, muy poco corrientes (o muy poco conocidas, a ver si mucha masa se encuentra así, sé perfectamente que no sería nunca suficiente para explicar anomalías cósmicas, pero desde luego no iba a ser una cantidad negligible), parece claro que debe estar contra la Vía Láctea, para dificultar aún más su observación. Me he preguntado qué propiedades podría tener un cuerpo tan masivo para tener una emisión bajísima en IR (de hecho a las enanas marrones típicas se las ve cojonudamente). A veces he pensado si pueden existir esferas Dyson naturales, que virtualmente no irradien apenas.

        Es difícil calibrar todas las influencias y cómo estas actúan a largo plazo. Efectos tan increiblemente tenues como la luz del Sol al cabo del tiempo acaban desintegrando asteroides de tamaño muy respetable, y eventualmente modificando su órbita.

        Insisto que el tema es lo bastante importante como para merecerse un estudio sistemático que lo descarte definitivamente. Precisamente por lo que digo, de existir esto, hasta los paralajes estarían mal (da igual que fuera en la diezmilésima, eso trasladado a años-luz es una barbaridad de error a escalas bestiales). O…

      • Por cierto, me olvidaba. Un pequeño receso.

        Una manera de descartar la existencia de este objeto es relativamente fácil y simple, y podría haberse hecho ya hace mucho tiempo. Supongamos que la precesión terrestre no sea causada (en todo o en parte) por el movimiento del eje de rotación, sino que sea una ilusión causada por el movimiento de todo el sistema solar en torno a su baricentro, de ser eso así, entonces los efectos que observamos de la precesión deberían verse por igual en todas partes del sistema solar. Acumular observaciones de sondas situadas en la Luna, Marte, etc. podrían descartar por completo la existencia de este objeto y probar definitivamente que es, efectivamente, la precesión del eje terrestre la causante de los fenómenos que le atribuímos.

        Y no creo que sea nada caro equipar con un sistema así a muchas de las sondas. Los efectos de la precesión son bastante fáciles de medir.

  3. Por cierto, ya que hablamos de anomalias gravitatorias creo que aún no hay nada concluyente sobre el efecto Allais: http://en.wikipedia.org/wiki/Allais_effect
    Aunque parece que en el eclipse de 2010 no se pudo observar el efecto creo que aún no está claro si el efecto es o no real y si lo es cuales son las posibles causas. Probablemente sea un efecto local que pueda explicarse con física “estándar” pero quien sabe, también podría ser que estuviésemos ante algo nuevo…

    • No os va a gustar, pero las teorías de ya sabes quien lo explican bastante bien.
      En resumen, el bloqueo del viento solar por parte de la Luna, hace que la parte de bombardeo de lo que ahora llamamos gravedad (recuerdo que según él es en realidad la unión de dos campos, uno atractivo—aceleración gravitatoria—y otro repulsivo—por bombardeo de fotones—) sea mayor en la franja del eclipse que fuera de ella.
      Respecto al topic, el miércoles publicaré la traducción de un artículo en el que explica qué es G según su teoría de campo unificado (o des-unificado, según se mire).

      • Roberto, no puedo abrir el enlace que insertas. Lo del bloqueo del viento solar por efecto de la luna no lo entiendo, o más bien lo entiendo al revés, supongo que la franja del eclipse explica que la radiación solar se atenúa o se desvía y no que se incrementa. ¿Dónde me perdí?

    • Sobre la gravedad modificada http://www.thespectrumofriemannium.com/?p=7786

      PS: Roberto Conde, eres un poco pesado, pero te lo repito. Para alguien que escribe una ecuación dimensionalmente errónea, no habrá ni tendrá crédito nada de lo que pueda escribir o decir. Punto y final para mí (y para cualquier lector con un mínimo de lo que los físicos llamamos sentido común/common sense). ¿De verdad te crees que alguien se lo puede tomar ni infinitesimalmente en serio?¿O a ti?

  4. Estimado Francisco felicitaciones, excelente blog.
    Puedes expresar algún concepto acerca del Físico Fran De Aquino, en concreto si en la comunidad científica tiene algún valor sus aseveraciones/publicaciones.
    Muchas gracias.

      • Gracias.
        Necesitaba la vos de alguien en dicho área, pues a simple inspección observaba choque con el principio de equivalencia, pilar de la relatividad general…
        Buen faro resulta tu blog.
        Saludos.

  5. Disculpas a los partidarios de materia oscura porque lo que voy a decir es a favor de una gravedad diferente, pero desde luego solo es una hipótesis. Supongamos dos masas de 25Kg y 1Kg separadas 100cm, por ejemplo. La gravedad resultante, ¿debería ser la misma que si las masas fueran de 5Kg y 5Kg? Según Newton serían iguales porque su producto es 25 en los dos casos y la distancia es la misma. Sin embargo, la suma de masas es 26Kg en el primer caso y solo 10Kg en el segundo caso. ¿Cómo es posible que 10Kg de masa ejerzan la misma interacción que 26Kg?

    Ya, ya, es un ejemplo absurdo, pero a lo mejor no es absurdo que la gravedad dependa de la relación entre masas. Si fuera así, también sería lógico que la constante G no fuera tan constante, y que su medida resultara diferente dependiendo del experimento. Puesto que se ha comprobado que así es, ¿debería depender la gravedad de la relación entre masas?

    Supongamos que sí, que se refuerza a medida que aumenta la relación entre masa menor y mayor. La gravedad seguiría siendo inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, pero se incrementaría respecto de la de Newton para relaciones entre masas que se acercan a la unidad. Eso supone que allí donde se agrupen masas parecidas quedarán ligadas por mayor gravedad, como grumos que no se deshacen en una corriente fluida. Explicaría que la zona interna de las galaxias barradas se estire y gire con velocidades angulares iguales, lo mismo que una cuerda se endereza al girar sobre uno de sus puntos.

    Pero como la tensión de la barra aumentará más rápido con el radio, llegará un momento en que las estrellas de la barra se empiezan a retrasar, formando los brazos espirales. Al ser mayor la gravedad en la zona de los brazos, las estrellas quedarían retenidas más tiempo en esas zonas, hasta que grumos de estrellas (cúmulos globulares) serían catapultados a mayor velocidad de la correspondiente por Newton, revoloteando como mariposas alrededor de una bombilla, como si fueran micro galaxias que son absorbidas.

    Por supuesto, en una galaxia se puede esperar mayor homogeneidad entre masas que en el sistema solar, y eso explicaría su mayor gravedad y sus elevadas velocidades de rotación, sin materia oscura. Ahora bien, existe un problema relacionado con la masa observable, y es que no se mide sino que se calcula a partir de radios y períodos orbitales, o a partir de la luz de las estrellas, o incluso por la curvatura de la luz si hay la suerte de observar cómo curva la luz de estrellas más lejanas.

    Hice algunos deberes al respecto y si la conclusión es correcta, resulta que todos los procedimientos para determinar masas dependen de la ley de Newton… ¿cómo si no? Eso quiere decir que si estamos comprobando una gravedad distinta, si es correcta o no, entonces las masas que ya conocemos no se pueden utilizar para falsear o validar a la gravedad que estamos probando, porque dichas masas no se miden sino que se calculan, a partir de un modelo de gravedad que tiene que ser el que se pone a prueba. Por lo tanto, si ese modelo satisface la tercera ley de Kepler, permitirá calcular masas de la misma forma que se hace con el modelo de Newton, pero ya no serán iguales. Masas diferentes, conclusiones diferentes acerca de la rotación de las galaxias, pero funcionaría correctamente en el sistema solar por cumplir la tercera ley de Kepler. ¿Estarán trabajando los astrónomos con datos de mentirijillas? Ayayay… lo que da de sí para pensar esa constante G.

  6. Dos notas sobre la materia oscura; no soy partidario ni contrario a que exista la materia oscura, esto no es un partido de fútbol, pero me parece plausible que exista, si no es así la vida sigue. Me parece que sustituyes la materia oscura por la fuerza centrípeta de los cúmulos globulares, me parece perfecto, es una hipótesis. También veo que argumentas en la línea de la dinámica newtoniana modificada, MOND, también me parece perfecto, pero entiendo que la gravedad es un hecho universal más allá de cada fórmula que la describa. Saludos.

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