Secondo la leggenda, il primo esperimento per dimostrare che tutti gli oggetti cadevano alla stessa velocità, indipendentemente dalla massa, fu eseguito da Galileo Galilei in cima alla Torre pendente di Pisa. Qualsiasi oggetto caduto in un campo gravitazionale, in assenza di (o trascurando) la resistenza dell'aria, accelera fino a terra alla stessa velocità. Questo è stato successivamente codificato come parte delle indagini di Newton sulla questione. (Getty Images)

Gli scienziati ammettono, imbarazzante, che non sappiamo quanto sia forte la forza di gravità

Ogni teoria fisica ha costanti in essa. La costante gravitazionale è notevolmente incerta.

Quando abbiamo iniziato a formulare leggi fisiche, lo abbiamo fatto empiricamente: attraverso esperimenti. Fai cadere una palla da una torre, come potrebbe aver fatto Galileo, e puoi misurare sia quanto cade lontano sia quanto tempo ci vuole per colpire il terreno. Rilascia un pendolo e puoi trovare una relazione tra la lunghezza del pendolo e il tempo necessario per oscillare. Se lo fai per un certo numero di distanze, lunghezze e tempi, vedrai emergere una relazione: la distanza di un oggetto che cade è proporzionale al tempo al quadrato; il periodo di un pendolo è proporzionale alla radice quadrata della lunghezza del pendolo.

Ma per trasformare queste proporzionalità in un segno di uguale, devi ottenere quella costante giusta.

Le orbite dei pianeti nel sistema solare interno non sono esattamente circolari, ma sono piuttosto vicine, con Mercurio e Marte che hanno le partenze più grandi e le più grandi ellitticità. A metà del XIX secolo, gli scienziati iniziarono a notare le deviazioni nel moto di Mercurio dalle previsioni della gravità newtoniana, una leggera deviazione che fu spiegata solo dalla Relatività Generale nel XX secolo. La stessa legge gravitazionale e costante descrive gli effetti della gravità su tutte le scale, dalla Terra al cosmo. (NASA / JPL)

In questi esempi, così come molti altri, quella costante di proporzionalità è correlata a G, la costante gravitazionale. La Luna orbita attorno alla Terra, i pianeti orbitano attorno al Sole, la luce si piega a causa dell'obiettivo gravitazionale e le comete perdono energia mentre fuggono dal Sistema Solare in proporzione a G. Anche prima che Newton arrivasse, nel 1640 e 1650, gli scienziati italiani Francesco Grimaldi e Giovanni Riccioli fecero i primi calcoli della costante gravitazionale, nel senso che era la prima costante fondamentale mai determinata: anche prima della determinazione della velocità della luce di Ole Rømer nel 1676.

La legge di Newton della gravitazione universale è stata sostituita dalla relatività generale di Einstein, ma si basava sul concetto di un'azione istantanea (forza) a distanza ed è incredibilmente semplice. La costante gravitazionale in questa equazione, G, è ancora relativamente poco conosciuta. (WIKIMEDIA COMMONS USER DENNIS NILSSON)

Quando prendi due masse nell'Universo e le posizioni vicine l'una all'altra, si attraggono. Secondo le leggi di Newton, valide sotto tutte le condizioni tranne la massa più estrema (per le grandi masse) e la distanza (per le piccole distanze) in tutta la natura, la forza di attrazione è correlata alle due masse, la separazione tra loro e G, la costante gravitazionale. Nel corso dei secoli, abbiamo perfezionato le nostre misurazioni di moltissime costanti fondamentali con una precisione straordinaria. La velocità della luce, c, è nota esattamente: 299.792.458 m / s. La costante di Planck, ħ, che governa le interazioni quantistiche, ha un valore di 1,05457180 × 10 ^ -34 J⋅s, con un'incertezza di ± 0,000000013 × 10 ^ -34 J⋅s.

Ma G? Questa è una storia completamente diversa.

Sia che si usi la formulazione di gravità di Newton o Einstein, la forza della forza è determinata in parte dal valore di una costante gravitazionale, G, il cui valore deve essere misurato empiricamente e non può essere derivato da qualsiasi altra quantità. (ESO / L. CALÇADA)

Negli anni '30, G fu misurato a 6,67 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², successivamente affinato negli anni '40 a 6,673 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², entrambi dallo scienziato Paul Heyl. Come ci si potrebbe aspettare, i valori sono migliorati nel tempo, con le incertezze che sono scese dallo 0,1% allo 0,04% fino allo 0,012% alla fine degli anni '90, principalmente grazie al lavoro di Barry Taylor al NIST.

Infatti, se si estrae una vecchia copia dell'opuscolo del gruppo di dati sulle particelle, in cui forniscono le costanti fondamentali, è possibile trovare un valore per G che sembra buono: 6,67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², con un'incertezza di soli 0.00085 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

I valori delle costanti fondamentali, come erano conosciuti nel 1998, e pubblicati nell'opuscolo del 1998 del gruppo Particle Data. (PDG, 1998, BASATO SU ER COHEN E BN TAYLOR, REV. MOD. PHYS. 59, 1121 (1987))

Ma poi è successo qualcosa di divertente.

Più tardi nello stesso anno, gli esperimenti condotti indicavano un valore che era incoerentemente elevato con tali valori: 6,674 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Più team, utilizzando metodi diversi, stavano ottenendo valori per G che erano in conflitto tra loro al livello dello 0,15%, più di dieci volte le incertezze precedentemente riportate.

Come è successo?

L'esperimento originale per misurare accuratamente G, come progettato e pubblicato da Henry Cavendish, si basa sul principio di un equilibrio di torsione che si torcerà e si muoverà in base all'attrazione gravitazionale di una massa vicina e ben misurata. (H. CAVENDISH, OPERAZIONI FILOSOFICHE DELLA SOCIETA 'REALE DI LONDRA, (PARTE II) 88 P.469–526 (21 GIUGNO 1798))

La prima misurazione accurata della costante gravitazionale, indipendente da altre incognite (come la massa del Sole o la massa della Terra), ebbe luogo solo con gli esperimenti di Henry Cavendish alla fine del XVIII secolo. Cavendish ha sviluppato un esperimento noto come equilibrio di torsione, in cui un bilanciere in miniatura era sospeso da un filo, perfettamente bilanciato. Vicino a ciascuna delle masse alle due estremità c'erano due masse più grandi, che avrebbero attratto gravitazionalmente le piccole masse. La quantità di torsione vissuta dal bilanciere in miniatura, fintanto che si conoscevano le masse e le distanze, ci permetterebbe di misurare sperimentalmente la G, la costante gravitazionale.

Nonostante molti progressi nella fisica negli ultimi 200 anni, lo stesso principio che è stato usato nell'esperimento originale Cavendish continua ad essere usato oggi nelle misurazioni di G. Non esiste, a partire dal 2018, nessuna tecnica di misurazione o configurazione sperimentale che fornisca risultati superiori . (CHRIS BURKS (CHETVORNO) / WIKIMEDIA COMMONS)

Si sospetta fortemente che uno dei principali fattori in gioco sia stato il noto fattore psicologico del pregiudizio di conferma. Se tutti i tuoi colleghi stanno ottenendo misurazioni come 6.67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², potresti ragionevolmente aspettarti di ottenere qualcosa come 6.67224 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² o 6.67293 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², ma se hai qualcosa come 6.67532 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², probabilmente supporresti di aver fatto qualcosa di sbagliato.

Cerchi possibili fonti di errore, fino a quando non ne trovi una. E avresti eseguito l'esperimento ancora e ancora, fino a quando non avessi ottenuto qualcosa di ragionevole: qualcosa che era almeno coerente con 6.67259 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m².

Nel 1997, il team di Bagley e Luther ha condotto un esperimento sull'equilibrio di torsione che ha prodotto un risultato di 6,674 x 10 ^ -11 N / kg² / m², che è stato preso abbastanza seriamente da mettere in dubbio il significato precedentemente riferito della determinazione di G. (COMUNI DBACHMANN / WIKIMEDIA)

Questo è il motivo per cui è stato un tale shock, nel 1998, quando una squadra molto attenta ha ottenuto un risultato che differiva di uno spettacolare 0,15% dai risultati precedenti, quando si affermava che gli errori su quei risultati precedenti erano più di un fattore inferiore di dieci quella differenza. Il NIST ha risposto eliminando le incertezze precedentemente dichiarate e i valori sono stati improvvisamente troncati per dare al massimo quattro cifre significative, con incertezze molto più grandi allegate.

Bilance di torsione e pendoli di torsione, entrambi ispirati all'esperimento originale di Cavendish, continuano a guidare la strada nelle misurazioni di G, superando la più recente tecnica di esperimenti di interferometria atomica. In effetti, proprio la scorsa settimana, un team cinese ha affermato di ottenere la misurazione più precisa di G da due misurazioni indipendenti: 6.674184 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² e 6.674484 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m², con incertezze di appena 11 parti per milione su ciascuna.

I due metodi di installazione sperimentale pubblicati alla fine di agosto 2018, in Nature, che hanno prodotto le misurazioni più precise (dichiarate) di G fino ad oggi. (Q. LIU ET AL., NATURE VOL.560, 582-588 (2018))

Questi valori possono concordare tra loro entro due deviazioni standard, ma non sono d'accordo con altre misurazioni eseguite da altri team negli ultimi 15 anni, che vanno da 6.6757 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m² e a partire da 6,6719 × 10 ^ -11 N / kg²⋅m². Mentre le altre costanti fondamentali sono note per la precisione tra 8 e 14 cifre significative, le incertezze sono ovunque da migliaia a miliardi di volte maggiori quando si tratta di G.

La transizione atomica dall'orbitale 6S, Delta_f1, è la transizione che definisce il metro, il secondo e la velocità della luce. Si noti che le costanti quantistiche fondamentali che descrivono il nostro Universo sono note con una precisione superiore a migliaia di volte superiore a G, la prima costante mai misurata. (A. FISCHER ET AL., THE JOURNAL OF THE ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA (2013))

La costante gravitazionale dell'Universo, G, è stata la prima costante mai misurata. Eppure, a più di 350 anni dalla prima determinazione del suo valore, è davvero imbarazzante quanto poco conosciuta, rispetto a tutte le altre costanti, sia la nostra conoscenza di questo. Usiamo questa costante in tutta una serie di misurazioni e calcoli, dalle onde gravitazionali al timing pulsar all'espansione dell'Universo. Tuttavia la nostra capacità di determinarlo è radicata in misurazioni su piccola scala effettuate proprio qui sulla Terra. Le più piccole fonti di incertezza, dalla densità dei materiali alle vibrazioni sismiche in tutto il mondo, possono intrecciarsi nei nostri tentativi di determinarla. Fino a quando non potremo fare di meglio, ci sarà un'incertezza intrinseca, a disagio, ovunque il fenomeno gravitazionale è importante. È il 2018 e non sappiamo ancora quanto sia forte la gravità.

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.