Os cientistas admitem confusos que ainda não sabem a magnitude exata da interação gravitacional.

Segundo a lenda, o primeiro experimento, que mostrou que todos os objetos caem na mesma velocidade, independentemente da massa, foi realizado por Galileu Galilei, de pé no topo da Torre Inclinada de Pisa. Quaisquer dois objetos jogados no campo gravitacional, na ausência de resistência do ar (ou negligenciando), irão acelerar igualmente. Mais tarde, essa regra foi brevemente escrita por Newton depois que ele estudou essa questão.

Pela primeira vez, começamos a formular as leis da física, o fizemos empiricamente: através de experimentos. Jogue a bola da torre, como Galileu poderia ter feito, e você poderá medir o quanto ela voará e após o tempo em que cairá. Solte o pêndulo e você encontrará a relação entre sua duração e a quantidade de tempo por um período. Depois de fazer isso com várias distâncias, comprimentos e períodos de tempo, você começará a perceber o sistema: a altura do objeto é proporcional ao quadrado do tempo, o período do pêndulo é proporcional à raiz quadrada do seu comprimento.

Mas, para transformar proporções em equações, você precisa escolher uma constante.


As órbitas dos planetas do sistema solar interno não são perfeitamente redondas, mas próximas de círculos. Mercúrio e Marte se afastam mais do ideal, demonstrando a elipticidade das órbitas. Em meados do século XIX, os cientistas começaram a notar os desvios de Mercúrio em relação às previsões da gravidade newtoniana, que somente a Relatividade Geral no século XX poderia explicar. A mesma lei da gravidade e a mesma constante descrevem o efeito da gravidade em todas as escalas, da Terra ao espaço.

Nestes exemplos, e em muitos outros, o papel da constante de proporcionalidade é G, a constante gravitacional . A lua se move ao redor da Terra, o planeta - ao redor do Sol, a luz é distorcida pelas lentes gravitacionais, os cometas perdem energia, escapando do sistema solar - e tudo isso acontece na proporção de G. Mesmo antes de Newton, nas décadas de 1640 e 1650, os cientistas italianos Francesco Grimaldi e Giovanni Riccioli realizou os primeiros cálculos da constante gravitacional, o que significa que ela se tornou a primeira de todas as constantes fundamentais determinadas, mesmo antes da determinação da velocidade da luz em 1676, feita por Ole Römer .


A lei da gravidade de Newton foi substituída pela Teoria Geral da Relatividade de Einstein. Foi baseado em ação instantânea de longo alcance e foi extremamente direto. O valor da constante gravitacional G dessa equação ainda é muito pouco conhecido.

Se você pegar duas massas no Universo e colocá-las próximas umas das outras, elas serão atraídas. De acordo com as leis de Newton, aplicáveis ​​a todas as massas, exceto as extremamente grandes, e para todas as pequenas distâncias, a força gravitacional está associada a ambas as massas, separando-as pela distância e pela constante gravitacional G. Por vários séculos, refinamos nossas medições de muitas constantes fundamentais com uma precisão incrível. A velocidade da luz c é conhecida exatamente: 299.792.458 m / s. A constante de Planck ħ que controla as interações quânticas tem um valor de 1,05457180 × 10 ^-34 J * s, com um erro de ± 0,000000013 × 10 ^-34 J * s.

Mas com G vem uma questão completamente diferente.


Quer utilizemos a descrição da gravidade de Newton ou Einstein, a magnitude da força é determinada, em particular, pela magnitude da constante gravitacional G, cujo valor deve ser medido experimentalmente e não pode ser deduzido de outros.

Na década de 1930, para o valor G, foram obtidos 6,67 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , na década de 1940 foi refinado para 6,673 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , e ambas as medidas foram realizadas por Paul Hale . Como era de se esperar, com o tempo, os valores melhoraram constantemente e o erro caiu de 0,1% para 0,04% e atingiu 0,012% no final dos anos 90, graças ao trabalho de Barry Taylor, do NIST.

Se você olhar a cópia antiga do livreto de dados de partículas, na qual foram fornecidos os valores das constantes fundamentais, poderá encontrar o valor G de 6,67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , com um erro de apenas 0,00085 × 10 ^{- 11} N * m2 / kg ² .


Os valores das constantes fundamentais para 1998

E então algo engraçado aconteceu.

No final daquele ano, os experimentos revelaram um valor muito alto para o valor indicado: 6.674 × 10 ^-11 N * m2 / kg ² . Equipes diferentes, usando métodos diferentes, receberam valores G que não coincidiram entre si em 0,15%, o que é mais de dez vezes o erro relatado anteriormente.

Como isso aconteceu?


O experimento inicial sobre a medição exata de G, desenvolvido e publicado por Henry Cavendish , baseia-se no princípio dos pesos de torção , girando dependendo da atração gravitacional de uma massa próxima de uma quantidade conhecida.

A primeira medição precisa da constante gravitacional, independente de outras incógnitas (por exemplo, a massa do Sol ou a massa da Terra) ocorreu apenas no experimento de Henry Cavendish no final do século XVIII. Cavendish desenvolveu um experimento conhecido como equilíbrio de torção, no qual um pequeno haltere foi suspenso e perfeitamente equilibrado em um fio. Perto de cada uma das massas no final do haltere havia duas massas maiores, atraindo gravitacionalmente pequenas massas. O valor da rotação do haltere em distâncias e massas conhecidas nos deu a oportunidade de medir G experimentalmente.


Apesar de muitos avanços na física nos últimos 200 anos, o mesmo princípio usado no experimento Cavendish é usado nos experimentos de medição G. Até hoje, nenhuma outra técnica de medição ou dispositivo experimental produziu melhores resultados.

Suspeita-se que um dos motivos das discrepâncias seja o conhecido fator psicológico do viés de confirmação . Se todos os seus colegas obtiverem um resultado no formato 6.67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , é razoável esperar que você também receba um resultado do tipo 6.67224 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² ou 6.67293 × 10 ^-11 N * m2 / kg ² ; mas se obtiver algo como 6.67532 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , você decidirá que fez algo errado.

Você procurará fontes de erro até encontrá-lo. Você repetirá o experimento várias vezes até obter algo razoável: algo que não contradiga o valor de 6,67259 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² .


Em 1997, a equipe de Bagley e Luther conduziu um experimento com uma balança de torção que rendeu um resultado de 6.674 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² , que foi levado a sério o suficiente para lançar dúvidas sobre o erro de medição anterior G

Portanto, esse choque foi o caso de 1998, quando uma equipe de trabalho muito cuidadosa recebeu um resultado diferente de 0,15% incrível dos anteriores, enquanto os erros declarados das medições anteriores foram dez vezes menores que isso. O NIST em resposta rejeitou os erros anteriores e os valores resultantes foram reduzidos para quatro dígitos significativos e o erro foi aumentado.

As escalas de torção e os pêndulos de torção, feitos sob a influência do experimento original de Cavendish, continuam liderando as medições de G, à frente das mais modernas tecnologias de interferometria atômica. Somente em agosto, a equipe chinesa anunciou o recebimento do valor G mais preciso de duas medidas independentes: 6.674184 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² e 6.674484 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² com erros de 0,0011%.


Duas instalações experimentais, cujos esquemas foram publicados na Nature 2018 em agosto de 2018, forneceram os valores mais precisos (de acordo com os cientistas) para G

Esses valores são consistentes entre si em dois desvios padrão, mas não são consistentes com outras medições realizadas por outras equipes nos últimos 15 anos, variando de 6,6757 × 10 ^-11 N * m ² / kg ² a 6,6719 × 10 ^{- 11} N * m2 / kg ² . Enquanto outras constantes fundamentais são conhecidas com uma precisão de 8 a 14 dígitos significativos, ao medir G, os erros são milhares ou bilhões de vezes maiores.


A transição atômica do orbital 6S, Delta_f1, determina o metro, o segundo e a velocidade da luz. A precisão da determinação de constantes quânticas é milhares de vezes maior que a precisão da medição G, a primeira das constantes medidas.

A constante gravitacional do Universo, G, foi a primeira das medidas. No entanto, 350 anos após a primeira medição, é vergonhoso afirmar quão pouco é conhecido em comparação com todos os outros. Usamos essa constante em um grande número de medições e cálculos, de ondas gravitacionais a pulsares, medindo a expansão do Universo. No entanto, nossa capacidade de determiná-lo é baseada em experimentos de pequena escala realizados na Terra. Pequenas fontes de incerteza, da densidade de materiais às vibrações sísmicas, penetram em nossas tentativas de medi-la. E até conseguirmos mais, onde quer que a gravidade seja importante, haverá um erro interno desagradável. Estamos em 2018 e ainda não sabemos o quão grande é a gravidade.

Você pode encontrar mais artigos sobre o tópico da ciência popular no site Golovanov.net . Leia: as placas tectônicas são necessárias para a formação da vida no planeta; de onde vem a energia na energia escura; se a atividade humana levará à guerra interestelar; Existe uma quantidade saudável de álcool? A série Ask Ethan de artigos de cosmologia.

Não hesite em apoiar o projeto financeiramente (cartões bancários, Yandex.Money, WebMoney, Bitcoins, mas qualquer que seja). Obrigado a todos que já forneceram suporte!