I ricercatori dell'ETH hanno rideterminato la costante gravitazionale G utilizzando una nuova tecnica di misurazione. Sebbene il valore misurato sia ancora molto incerto, il metodo ha un grande potenziale per verificare una delle leggi fondamentali della natura.
La costante gravitazionale G determina la forza di gravità. Essa garantisce che le mele cadano a terra o che la terra orbiti intorno al sole. Isaac Newton ha formulato la legge di gravità Chi siamo 300 anni fa, in cui compare questa costante naturale. Non può essere derivata per via matematica, ma può essere determinata solo sperimentalmente.
Sebbene gli scienziati abbiano condotto nel tempo numerosi esperimenti per determinare il valore della costante gravitazionale, il valore attualmente valido non soddisfa la comunità scientifica. ? ancora meno preciso del valore di qualsiasi altra costante naturale fondamentale, come la velocità della luce nel vuoto.
Il fatto che la gravità sia estremamente difficile da comprendere ha a che fare con il fatto che è molto debole e non può essere schermata: Se si misura la forza di gravità tra due corpi, si misura anche l'effetto di tutti gli altri corpi del mondo.
"L'unico modo per risolvere questa situazione è determinare la costante gravitazionale utilizzando il maggior numero possibile di metodi diversi", spiega Jürg Dual, professore presso il Dipartimento di Ingegneria meccanica e dei processi dell'ETH di Zurigo. Lui e i suoi collaboratori presentano ora un nuovo esperimento sulla rivista scientifica "Nature Physics", con il quale hanno nuovamente determinato la costante gravitazionale.
Esperimento innovativo in un'antica fortezza
Per eliminare il più possibile le fonti di interferenza, il team di Dual ha installato le apparecchiature di misura nell'antica fortezza di Furggels, vicino a Pf?fers, sopra Bad Ragaz. L'impianto di prova consiste in due travi sospese in camere a vuoto. I ricercatori hanno fatto vibrare una di esse. A causa dell'accoppiamento gravitazionale, anche la seconda barra ha iniziato a vibrare minimamente (nell'ordine dei picometri, cioè un trilionesimo di metro). I ricercatori dell'ETH hanno quindi utilizzato dispositivi di misurazione laser per misurare il movimento delle due barre vibranti e la misurazione di questo effetto dinamico ha permesso di trarre conclusioni sull'entità della costante gravitazionale.
Il valore così determinato dai ricercatori è superiore del 2,2% rispetto all'attuale cifra ufficiale fornita dal Committee on Data for Science and Technology. Tuttavia, il nuovo valore è soggetto a un alto grado di incertezza, ammette Dual: "Per ottenere un valore affidabile, questa incertezza deve ancora essere ridotta in modo significativo. Stiamo già effettuando delle misurazioni con un setup sperimentale leggermente modificato per poter determinare la costante G in modo ancora più preciso. I primi risultati sono disponibili, ma non sono ancora stati pubblicati. "Siamo sulla strada giusta", conferma Dual.
L'esperimento si svolge in remoto da Zurigo. Questo riduce al minimo le interferenze del personale presente in loco. I ricercatori possono visualizzare i dati di misura in tempo reale in qualsiasi momento.
Una visione della storia dell'universo
Il vantaggio del nuovo metodo risiede nel fatto che la gravità viene misurata in modo dinamico da Chi siamo attraverso le aste vibranti. "Con le misurazioni dinamiche, a differenza di quelle statiche, non importa che la forza gravitazionale che agisce su altri corpi non possa essere schermata", spiega. Spera quindi che lui e il suo team possano utilizzare l'esperimento per contribuire a risolvere il mistero della gravità. La scienza non ha ancora compreso appieno questa forza naturale né gli esperimenti che la riguardano.
Una migliore comprensione della gravità permetterebbe, ad esempio, di interpretare meglio i segnali delle onde gravitazionali. Tali onde sono state rilevate per la prima volta nel 2015 dagli osservatori LIGO negli Stati Uniti. Erano il risultato di due buchi neri orbitanti che si erano fusi a una distanza di circa 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra. Da allora, gli scienziati sono riusciti a documentare decine di eventi di questo tipo. Se questi eventi potessero essere tracciati in dettaglio, si potrebbero ottenere nuove conoscenze sull'universo e sulla sua storia.
Un traguardo importante per la nostra carriera
Jürg Dual lavora dal 1991 sui metodi di misurazione della costante gravitazionale, ma da allora ha interrotto il suo lavoro. L'osservazione delle onde gravitazionali a LIGO ha dato un nuovo impulso alla sua ricerca, che ha ripreso nel 2018. Nel 2019, il gruppo ha allestito il laboratorio nella fortezza di Furggels e ha avviato nuovi esperimenti. Oltre agli scienziati del gruppo di Dual, il progetto ha coinvolto anche il personale dell'infrastruttura, come gli specialisti della camera bianca, un ingegnere elettrico e un meccanico, oltre a uno statistico. "Questo esperimento è stato realizzato solo grazie ad anni di lavoro di squadra".
Dual andrà in pensione alla fine di luglio di quest'anno e ha già tenuto la sua lezione di commiato. "Questo esperimento di successo è un bel modo per concludere la mia carriera", ha dichiarato.
Questo testo si basa sul rapporto Keystone SDA di Stephanie Schnydrig.
Letteratura di riferimento
Brack T, Zybach B, Balabdaoui F, et al. Misura dinamica dell'accoppiamento gravitazionale tra fasci risonanti nel regime degli hertz. Nature Physics, 11 luglio 2022, doi: pagina esterna10.1038/s41567-022-01642-8