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Refinando la Gravedad de Newton

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Refinando teorías    ~    Comentarios Comments (3)

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Una nueva medida de la constante de gravedad y de la masa de la TierraLas constantes que miden el mundo

             Las constantes que rigen el Mundo

Reportaje de Ciencia en el País

Científicos chinos redefinen la constante de gravitación universal postulada por Newton en 1686. 

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Los investigadores se han inspirado en uno de los experimentos más bellos de la historia de la humanidad

El físico Jun Luo (derecha) y su equipo, junto a uno de sus aparatos.

             El físico Jun Luo (derecha) y su equipo, junto a uno de sus aparatos. HUST

 

El científico británico Henry Cavendish “probablemente pronunció menos palabras a lo largo de su vida que cualquier hombre que haya vivido durante ochenta años, incluyendo los monjes trapenses”, según describió con guasa su contemporáneo Lord Brougham. Cavendish, nacido en 1731 y fallecido en 1810, fue efectivamente introvertido y solitario. Era “el más rico de todos los sabios y el más sabio de todos los ricos”, en palabras del astrónomo francés Jean-Baptiste Biot. Pero, en silencio y encerrado en su mansión, descubrió el hidrógeno y la composición del agua. Y, en 1798, concibió uno de los experimentos más audaces de la historia de la humanidad. Hoy, un equipo de científicos chinos se ha subido a sus hombros para redefinir, con una precisión sin precedentes, una de las constantes más importantes para describir nuestro universo, junto a la velocidad de la luz.

“Un experimento ingenuo  para medir la masa de la Tierra podía basarse calcular su volumen y su densidad. El volumen lo conocemos desde que Eratóstenes determinó el radio de la Esfera Terrestre y la densidad podíamos calcularla haciendo un muestreo de las rocas silíceas (basaltos y granitos) que componen el 90% de  la corteza terrestre  y tomar el promedio de las muestras como densidad de la Tierra. Así:

Vol. de la Tierra = (4/3)· π·63703 km3 = 1082696932430,0023061493675 km3 =

= 1 082 696 932 430 002 306 149,368 m3 ≈ 1,083·1021 m3.

Como la densidad de la corteza terrestre es aproximadamente 2.800 kg/m3, la masa de la Tierra:

Masa de la Tierra = 2.800 ·1,083·1021  = 3,0324·1024 kg

Este resultado es aproximadamente la mitad del valor calculado de la masa de la Tierra. El error del cálculo procede de que la densidad de la Tierra aumenta a medida que  se avanza hacia el centro de la misma, llegando a alcanzar en el núcleo interno densidades de 13.000 kg/m3.  La  medida de la masa de la Tierra no realizó desde la Geología, sino que se llevó a cabo desde la Ley de Gravitación Universal de Newton.”

Resultado de imagen de Cavendish sabía la densidad de la Tierra

Cavendish tenía ya casi 70 años y se había propuesto averiguar la densidad del planeta Tierra. Para ello necesitaba la constante de gravitación universal (G) postulada por Isaac Newton un siglo antes. El anciano, siempre callado, construyó una especie de balanza en el sótano de su casa en el sur de Londres: dos esferas pequeñas, fijadas a los extremos de una varilla horizontal suspendida del techo por una fina fibra. Al acercar dos esferas de plomo de mayor tamaño, de unos 160 kilogramos cada una, la fuerza de atracción que sufrían las otras dos bolitas hacía que la varilla girase, y todo ello de manera perceptible gracias a un juego de espejos, luces y telescopios instalado por Cavendish.

El físico Henry Cavendish construyó una balanza en el sótano de su casa en 1798 para ver el efecto de la fuerza gravitacional

En su libro Principios matemáticos de la filosofía natural, publicado en 1686, Newton había formulado que la interacción gravitatoria entre dos cuerpos se podía expresar como una fuerza directamente proporcional al producto de las masas de esos cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Empleando esta fórmula y las observaciones en su sótano, el tímido Cavendish llegó a la conclusión de que la densidad media de la Tierra era 5,48 veces mayor que la del agua. Y no falló mucho: hoy se calcula que la cifra correcta es 5,51.

Resultado de imagen de Un equipo dirigido por Luo Jun, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong (China

Un equipo dirigido por Luo Jun, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong (China), ha refinado de manera extrema el experimento de Cavendish, con bolas de acero y cámaras de vacío, y ha llegado a dos mediciones similares con dos aparatos independientes: 6,674184 × 10−11 y 6,674484 × 10−11 metros cúbicos partido kilogramo por segundo al cuadrado. Es “una precisión récord”, según reconoce el físico Stephan Schlamminger, del Instituto Nacional de Normas y Tecnología. Las nuevas medidas se publican hoy en la prestigiosa revista Nature.

La búsqueda de la mayor exactitud posible no es un capricho. Los geofísicos utilizan la constante G para estudiar la estructura y la composición de la Tierra. Y también es esencial en campos como la física de partículas y la cosmología, la parte de la astronomía que estudia el origen y el futuro del universo.

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Sabemos lo que hace pero… “El verdadero valor de G sigue siendo desconocido”, admite Luo Jun

 

“El verdadero valor de G sigue siendo desconocido”, admite, no obstante, el profesor Luo. La dificultad de medir la constante es endiablada. La fuerza gravitacional que ejerce el Sol es tan grande que impide que el planeta Tierra huya por el espacio. Sin embargo, en un laboratorio, la fuerza gravitacional entre dos objetos de un kilogramo separados por un metro equivale al peso de un puñado de bacterias. Es una fuerza “extremadamente débil”, en palabras de Luo.

El Comité de Información para Ciencia y Tecnología (CODATA), con sede en París, es el organismo internacional de referencia para esta constante. En 2014, sus expertos adoptaron 14 valores de G determinados en las últimas cuatro décadas en diferentes laboratorios de todo el mundo. “La diferencia relativa entre el mayor y el menor valor de G es cercana al 0,055%. Esta situación no nos permite obtener un valor de G con alta precisión”, lamenta Luo.

Pese a la precisión de sus resultados, los científicos chinos han obtenido dos datos distintos con dos aparatos ligeramente diferentes e independientes. El equipo no sabe explicar esta discrepancia. “Hay algo que desconocemos todavía y necesitamos más investigación”, afirma Luo. O, quizás, necesitamos otro Henry Cavendish.

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EL ESCÁNDALO DEL KILOGRAMO

“Es un escándalo que la unidad de masa sea todavía un objeto físico”, se lamentaba hace un mes William Daniel Phillips, premio Nobel de Física, en una conferencia internacional de física atómica celebrada en Barcelona. Se refería al kilogramo, cuyo prototipo de referencia es un cilindro de platino-iridio —custodiado en un sótano de París— que define la unidad de masa desde el siglo XIX en el llamado sistema internacional.

tiempo de plank

longitud de plank

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Ya en 1899, el físico alemán Max Planck sugirió acabar con esta arbitrariedad y planteó crear un sistema de unidades basado en las constantes de la naturaleza, ajenas a los constructos humanos. “Propuso utilizar la velocidad de la luz, la constante de Planck y la constante de gravitación universal de Newton”, señala el físico chino Jun Luo. “Sin embargo, este sistema de unidades no es completamente competitivo frente al actual sistema internacional, debido a la escasa precisión de la constante de gravitación”, lamenta el investigador de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong.

 

 

  1. 1
    Emilio Silvera
    el 31 de agosto del 2018 a las 9:46

    Hay que opina que al principio sólo había una sola fuerza: ¡La Gravedad! y a medida que el Universo evolucionó, swe dividió en las cuatro fuerzas que conocemos. La Gravedad, desde que tenemos uso de razón en el campo científico, ha sido siempre una piedra de toque de grandes cuestiones, y, vino Newton a despejar un poco el camino que, más tarde, allanó Einstein con su asombrosa Teoría de la Relatividad General que refinaba la visdión de esa fuerza que incide en nuestras vidas y en la de todo el Universo.

    Cuando tratamos de esa fuerza fundamental de la Naturaleza, que llamamos de Gravedad, no se puede dejar de laso la Teoría de la R.G. de Einstein, la teoría que se erige sobre el Principio de Equivalencia, una idea sencilla pero muy poderosa, que interpreta la “milagrosa” coincidencia entre masas inerciales y gravitatorias. Nada de milagros, aceleraciones y campos de gravedad son, loocalmente, indicernibles.

    El genio de la R.G., intiyó que en caída libre no podría sentirm su propio peso. Ergo la Gravedad es escurridiza, sólo mparece tener una existencia relativa ¡Localmente! Las xconsecuencias de todo ello son desbordantes y sorprendentes. Quizás su implicación más profunda sea la geometrización del campo gravitatorio: Las grandes masas deforman el espacio-tiempo y crean la geometría a su alrededor, los cuerpos msiguen sus trayectorias acordes a la curvatura del Espacio Tiempo creadas por las grandes masas que, como planetas, estrellas y galaxias, lo deforman y obligan a los cuerpos físicos a seguirlas.

    Esos son los efectos no locales: Aunque la Gravedad puede considerarse localmente ilusoria, su entidad reaL se manifiesta no localmente mediante dicha curvatura. Las centenarias ecuaciones de campo de la R.G., rigen con precisión como una distribución material crea la curvaturaa la par que nesta gobierna el movimiento de la materia, que a su vez, produce curvatura.

    La Gravedad afecta a todas las cosas, nosotros mantenemos los pies unidos a la superficie del planeta porque, la gravedad de la Tierra tira de nosotros en función de la masa de nuestros cuperpos, así, una persona que npesa 120 Kgs., se mueve con menos agilidad que otra que npese 70 Kgs. Todos vivimos en el espacio-tiempo y, como la R.G. es universal, todos y todo queda afectado por esta fuerza fundamental de alcance infinito y, desde luego, es esencial para poder comprender el “mundo”

    Hoy sabemos que otras teorías incorporan el Principio de Equivalencia y contienen la gravitación newtoniana. Sólo una, empero, supera todas las exigentes pruebas experimentales con honores ¿Adivináis cual?

    Que sería de nuestro mundo sin la R.G., dónde estarína los GPS, las lentes gravitacionales, los interferómetros… la R.G. es un motor irremplazable para la Ciencia en muchas de sus parcelas del saber y no digamos, en el campo de la Técnica.

    Se podría estar hablando de esta maravilloso Teoría durante días enteros y nunca podríamos “cantar” de manera fiel sus excelencias. Es cierto que muchos han  venido a querer presentarnos mejoras y nuevas formas que superen la Teoría del viejo Einstein pero, hasta el momento… ¡Nadie lo consiguió!

    Hay un hecho muy significativo en todo esto. Sabéis que la Teoría de cuerdas no puede ser verificada, y, según algunos, se necesitaria disponer de la energía de Planck para poder conseguirlo, es decir 1019 GeV, lo que no estará a nuestro alcance en muchos generaciones. Sin embargo, cuando los expertos en cuerdas están calculando las ecuaciones de campo de la Teoría de Cuerdas, como por arte de magia, sin que nadie las llame… ¡Allí aparecen las ecuaciones de campo de la Relatividad Genenral de Einstein que, subyacen dentro de la teoría de cuerdas… ¿Por qué será? Eso siempre me indicó que la teoría de cuerdas estaba en el buen camino.

    Así que, siendo cierto que aún, no lo sabemos todo sobre esa fuerza fundamental que llamamos Gravitatoria, sí tenemos mque tener presente que tenemos bien dispuestos sus cimientos y, a partir de ellos, ir avanzando hacia el conocimiento total.

    Responder
    • 1.1
      nelson
      el 31 de agosto del 2018 a las 16:31

      Hola muchachada.
      Hola estimado Amigo Emilio.
      Parece obvio que estimaciones realizadas en distintos laboratorios, ubicados en diversas zonas del mundo resulten con pequeñas variaciones. No en todas partes la densidad del manto es la misma y la magnitud de esas diferencias debe ser lo suficientemente importante como para hacer sentir su influencia en pequeñísimas diferencias en las mediciones de los instrumentos. Yo supongo que por más que muchas de esas diferencias hayan sido tenidas en cuenta, nunca serán todas la que existen, ya que, por ejemplo, la posición de la Luna, del Sol, la propia masa de los componentes de la “balanza”, del edificio, de los científicos que realizan el experimento e infinidad de otros imponderables “contaminan” la medición. Por cierto que sólo una cifra es la correcta para la constante G, pero para hallarla habría que ubicar un lugar sin interferencias que no existe en el Universo pues como bien dices el alcance de G es infinito y en cualquier intento siempre habrán incidencias. 
      Un Abrazo.

      Responder
      • 1.1.1
        Emilio Silvera
        el 1 de septiembre del 2018 a las 6:17

        Amigo mío, dices bien. Ahí precisamente está el problema que incide una y otra vez en dar mediciones distintas de la fuerza gravitatoria, ya que, no en todos los lugares que se pongan a medirla serán las mismas circunstancias y, al variar algunos parámetros también lo hará la medición. Lo cierto es que, en general, tenemos una idea bastante buena de lo que es esa fuerza y como incide en todo el Universo en las cosas en razón de las masas que cada una pueda poseer.

        ¿Que puede haber alguna cuestión que aún no hayamos podido comprender? Es posible que sí, pero son tantas las incógnitas que tenemos que desvelar… Una cosa no podemos negarle al viejo maestro, él supo aunar distintas ideas y puntos de vista para crear un sólo Modelo que explicara lo que la Gravedad es, y, hasta el momento, ninguna de las nuevas teorías que han querido desplazar a la R.G., han tenido éxito y sigue al frente de todas las teorías desde hace más de 100 años.

        Un abrazo amigo

        Responder

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