A equipe de pesquisa científica do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) anunciou recentemente os resultados de um experimento de 10 anos, que deu um novo valor à constante gravitacional "G", uma das constantes mais básicas e difíceis de medir com precisão na física, e revelou uma razão potencial para a "imprecisão" de longo prazo das medições de gravidade.
A gravidade é a mais fraca das quatro interações fundamentais na natureza, o que a torna uma das quantidades físicas mais difíceis de medir com precisão. O físico do NIST Stephan Schlamminger disse que a comunidade científica acompanha a constante gravitacional há mais de 200 anos, mas a dispersão dos 16 principais resultados de medição existentes ainda é muito grande, com uma incerteza típica de cerca de 10 partes por milhão, o que é muito inferior ao nível de precisão de outras constantes básicas.
A constante gravitacional, também conhecida como “Grande G” pela comunidade física, descreve a intensidade da força gravitacional entre duas massas. Para a vida quotidiana do público, pequenas mudanças em G não terão um impacto perceptível, mas para os físicos, fixar o seu valor preciso tanto quanto possível ajudará a compreender melhor a natureza da gravidade e a promover a exploração de uma teoria física unificada.
Neste trabalho, a equipe de Schramminger optou por replicar o caminho experimental em vez de inverter completamente e projetar uma nova solução. Eles transportaram o mesmo conjunto de equipamentos usados em um famoso experimento de constante gravitacional conduzido no Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM) na França em 2014, da França para o laboratório do NIST em Gaithersburg, Maryland, EUA, na tentativa de reproduzir o experimento em diferentes ambientes e examinar se havia preconceitos sistemáticos ocultos nos resultados daquele ano.
O experimento BIPM em 2014 forneceu um dos valores G mais "desviantes" da época, portanto, espera-se que o experimento de replicação revele os detalhes por trás de tais resultados anormais. A equipe do NIST iniciou oficialmente o trabalho de medição em 2016. Todo o projeto durou 10 anos. Não foi apenas uma medição científica, mas também um polimento de longo prazo da tecnologia de medição de força fraca de ultraprecisão.
Os últimos dados publicados mostram que o valor da constante gravitacional dado pela equipe é6,67387±0,00038×10−11m3kg−1s−2, a incerteza padrão relativa é5,7×10−5. Comparado com os resultados experimentais do BIPM em 2014, este valor é cerca de 0,0235% inferior. No campo da medição de alta precisão, esta diferença não pode ser ignorada. Ao mesmo tempo, o resultado também é ligeiramente inferior ao valor G recomendado pelo CODATA 2018, mas ainda é difícil explicar claramente a origem do desvio.
O que é ainda mais inovador é que quando os investigadores deduziram repetidamente as condições experimentais, descobriram um factor que antes era frequentemente ignorado – a influência do ar residual na câmara de vácuo. De acordo com o projeto, para eliminar ao máximo a interferência, o experimento precisa ser conduzido em um ambiente de vácuo quase perfeito, mas a equipe descobriu que não importa como o gás seja bombeado, uma pequena quantidade de gás sempre permanecerá no recipiente, formando a chamada “pressão de vácuo”.
Este gás residual exercerá uma força extremamente pequena no dispositivo experimental, afetando assim o valor G final medido. No entanto, este efeito não foi sistematicamente incluído na análise de muitos experimentos anteriores. Schramminger destacou que se espera que esta descoberta ajude a explicar por que os valores de G fornecidos por diferentes experimentos têm sido inconsistentes há muito tempo, mas ainda é muito cedo para tirar conclusões. Também é necessário revisar cada plano experimental um por um para verificar como eles lidam com detalhes como o gás residual.
Ao falar sobre a diferença entre os novos resultados e os valores reconhecidos existentes, Schramminger disse que a equipe atualmente tende a acreditar que o desvio pode vir da superposição de múltiplos efeitos cumulativos e não de um único fator. Contudo, quais os efeitos e respetivos pesos ainda não foram desmantelados com precisão. Artigos de pesquisa relevantes foram publicados na Metrologia, uma revista na área de metrologia, e foram verificados de forma independente.
Este trabalho não pôs fim ao debate sobre a constante gravitacional, mas demonstrou claramente a complexidade do problema: mesmo que demorasse dez anos, reutilizasse o mesmo dispositivo e trabalhasse cuidadosamente em laboratórios diferentes, o valor final de G ainda era significativamente diferente dos resultados anteriores. Do ponto de vista da comunidade científica, isto é tanto um revés como uma motivação - lembra aos investigadores que se quiserem compreender completamente esta constante natural "mais familiar e desconhecida", são necessárias experiências cada vez mais detalhadas, persistência a longo prazo e capacidades de identificação de erros mais agudas.