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Método quântico refina valor de constante gravitacional

Átomos frios de rubídio fornecem nova abordagem para medir variável de Newton

 

Shutterstock
LEGENDA: A atração gravitacional entre dois objetos, incluindo a Terra e a famosa maçã de Newton, é proporcional às suas massas (e ao inverso do quadrado de sua distância) por um fator de proporcionalidade conhecido como G. Mas medidas dessa constante fundamental produziram resultados incompatíveis.

 
Por Ron Cowen e Revista Nature

Físicos usaram a natureza quântica da matéria para obter um valor altamente preciso para a constante gravitacional universal, o ‘grande G’ que aparece na lei de Isaac Newton sobre como a gravidade atrai tudo, de planetas a maçãs. A técnica ainda precisa ser refinada mas físicos acreditam que, no futuro, ela superará a precisão de métodos convencionais – e com sorte resolverá discrepâncias aparentes entre medidas que há muito confundem cientistas.

Em um estudo descrito em 18 de junho na Nature, pesquisadores mediram o minúsculo arrasto gravitacional entre átomos de rubídio e um arranjo de cilindros de tungstênio com 516 quilogramas. A incerteza na medida mais recente é de 150 partes por milhão, ou 0,015% – apenas levemente maior que a do método convencional para determinar G, que consiste em quantificar o arrasto mútuo de duas massas macroscópicas.

A medida é “uma conquista experimental maravilhosa, e uma contribuição importante para o conhecimento de G”, declara Holger Müller, físico da University of California, Berkeley, não envolvido no estudo.

Problemas constantes

A técnica explora a capacidade que partículas de matéria, como átomos, têm de se comportar como ondas, e poderia fornecer novas ideias sobre um problema que frustra físicos há anos. O método convencional mede o torque provocado pela atração gravitacional sobre pesos afixados a uma balança em rotação, um experimento que foi conduzido pela primeira vez pelo cientista inglês Henry Cavendish, em 1798. Mas apesar da precisão cada vez maior de aproximadamente 300 experimentos modernos que usaram o sistema de Cavendish, laboratórios diferentes encontraram valores levemente diferentes para G, e recentemente a discrepância aumentou em vez de diminuir.

Pesquisadores não conseguiram identificar a fonte de erros que provoca a discordância entre as medidas convencionais. É improvável que o experimento da medida mais recente contenha os mesmos erros que o método do torque. E conforme a sensibilidade aumenta, o experimento poderia ajudar a identificar o verdadeiro valor de G, explica o coautor do estudo, Guglielmo Tino da Universidade de Florença, na Itália.

Tino e seus colegas usaram um interferômetro atômico, dispositivo que explora a natureza ondulatória da matéria, para medir a aceleração gravitacional com precisão. Outra equipe, conduzida por Mark Kasevich da Stanford University na Califórnia, demonstrou em 2007 que um interferômetro poderia medir G. A equipe de Tino “obteve uma medida 10 vezes mais precisa” para G com a técnica do interferômetro, observa Kasevich.

Método frio

No experimento descrito pela equipe de Tino, pulsos de luz laser atingem uma nuvem de átomos de rubídio resfriados quase ao zero absoluto, fazendo os átomos subirem e descerem como uma fonte sob a influência da gravidade. Os pulsos dividem a “onda de matéria” associada com cada átomo em uma superposição de dois estados energéticos, cada um deles tem uma velocidade diferente e atinge uma altura distinta – 60 ou 90 centímetros – antes de decair. A onda de matéria que se eleva mais alto tem uma separação maior de cilindros de tungstênio, e portanto sente um arrasto gravitacional levemente diferente. A diferença em força dá uma mudança mensurável no estado final das duas ondas de matéria quando elas se recombinam, criando um padrão de interferência.

A equipe usou dois interferômetros atômicos para cancelar os efeitos da gravidade da Terra e das forças de maré da Lua e do Sol, que mudam com o tempo. Como as massas e a distância dos átomos e cilindros são conhecidas com grande precisão, os pesquisadores puderam determinar o valor de G a partir de medidas múltiplas das acelerações das nuvens.  

Ainda que a discrepância entre os valores de G possa indicar erro desconhecido ou ignorado no método do torque, também é possível que a lei da gravitação de Newton não descreva com precisão a interação de massas em escalas laboratoriais, aponta Peter Mohr, físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Gaithersburg, Maryland. Uma maneira nova e independente de medir G poderia, portanto, permitir que físicos redefinissem o funcionamento da lei da gravitação.

Este artigo foi reproduzido com permissão da revista Nature. O artigo foi publicado pela primeira vez em 18 de junho de 2014.