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| (Tobias Westpha/Universidade de Viena) |
O minúsculo campo gravitacional entre duas esferas de ouro de 90 miligramas acaba de ser medido pela primeira vez.
Isso o torna oficialmente o menor campo gravitacional já medido com sucesso - uma conquista que poderia abrir a porta para sondar interações gravitacionais no reino quântico.
Há um grande problema com a matemática que usamos para descrever o Universo; em particular, a forma como a gravidade se comporta. Ao contrário das outras três forças fundamentais no Universo - fracas, fortes e eletromagnéticas - a gravidade não pode ser descrita com o modelo padrão da física.
A teoria da relatividade geral de Einstein é o modelo que usamos para descrever e prever interações gravitacionais, e funciona muito bem na maioria dos contextos. No entanto, quando descemos para escalas quânticas, a relatividade geral se quebra, e a mecânica quântica toma conta. Conciliar os dois modelos até agora tem se mostrado muito difícil.
A relatividade geral substitui um modelo anterior, a lei da gravitação universal de Newton, que não havia incorporado a curvatura do espaço-tempo. Afirma que a atração gravitacional entre dois objetos é diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre seus centros.
A física newtoniana funciona bem para a maioria das aplicações terrestres, mesmo que tropece um pouco em um cenário astrofísico.
Mas e as interações gravitacionais realmente pequenas? Normalmente, estes têm sido realmente desafiadores de medir, porque é tão difícil descobri-los dos efeitos da gravidade da Terra e outras perturbações. A maioria dos testes de gravidade em escalas menores envolveram massas de pelo menos um quilograma ( 2,2 libras).
Agora, nós fomos consideravelmente menores. Para isso, uma equipe de cientistas liderada por Tobias Westphal, da Academia Austríaca de Ciências da Áustria, na verdade recorreu ao século XVIII para se inspirar: ou seja, o primeiro experimento para medir a gravidade entre duas massas, e dar os primeiros valores precisos para a constante gravitacional.
Isto foi projetado por Henry Cavendish, um cientista inglês que descobriu como efetivamente anular a gravidade da Terra. Ele criou um equilíbrio de torção, anexando pesos de chumbo em cada extremidade de uma haste suspensa horizontalmente.
A atração entre os pesos fez com que a haste girasse, torcendo o fio em que a haste estava suspensa, permitindo que Cavendish medisse a gravidade com base no quanto o fio torceu. A configuração passou a ser conhecida como o experimento Cavendish.
Westphal e colegas modificaram o Experimento Cavendish para seus testes de atração gravitacional em pequena escala. Suas massas eram pequenas esferas de ouro, cada uma apenas 1 milímetro em raio e 92 miligramas de peso.
Nestas escalas, a equipe precisava responder por uma série de fontes de perturbações. Duas esferas de ouro foram anexadas a uma haste de vidro horizontal em uma separação de 40 milímetros. Uma das esferas era a massa de teste, a outra o contrapeso; uma terceira esfera, a massa de origem, foi movida perto da massa de teste para criar uma interação gravitacional.
Um escudo faraday foi usado para bloquear as esferas de interagir eletromagneticamente, e o experimento foi conduzido em uma câmara de vácuo para evitar interferências acústicas e sísmicas.
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| (Westphal et al., Nature, 2021) |
Um laser foi jogado de um espelho no centro da vara para um detector. À medida que a haste girava, o movimento do laser no detector indicava quanta força gravitacional estava sendo exercida - e mover a massa de origem permitiu que a equipe mapeava precisamente o campo gravitacional gerado pelas duas massas.
Os pesquisadores descobriram que, mesmo nessas pequenas escalas, a lei universal de gravitação de Newton ainda se mantém firme. A partir de suas medições, eles foram capazes até mesmo de calcular a gravitacional, ou Newton, constante (G), derivando um valor de apenas 9 por cento do valor recomendado internacionalmente. Essa discrepância pode, segundo eles, ser inteiramente coberta pelas incertezas em seu experimento, que não foi projetada para medir G.
Ao todo, seu resultado mostra que medições ainda menores podem ser realizadas no futuro. Isso poderia ajudar os cientistas a sondar o regime quântico, e potencialmente oferecer insights sobre matéria escura, energia escura, teoria das cordase campos escalares.
"Nosso experimento fornece um caminho viável para entrar e explorar um regime de física gravitacional que envolve testes de precisão da gravidade com massas de fonte microscópica isoladas na massa de Planck ou abaixo da massa de Planck", escreveram em seu artigo.
"Isso abre possibilidades como uma abordagem diferente para determinar a constante de Newton, que até agora continua sendo a menos bem determinada das constantes fundamentais. Em geral, experimentos de precisão miniaturizados podem permitir testes da lei inversa-quadrada da gravidade em escalas consideravelmente menores do que o possível hoje."
A pesquisa foi publicada na Nature.