Gravitación y constantes universales

Representaciones del campo magnético del sol. NASA

Sánchez Ron se hace eco de la noticia de que un grupo de científicos chinos ha medido con una precisión récord la constante de gravitación universal. "La existencia de la fuerza gravitacional es sorprendente -señala el académico-. La física descubre cuáles son sus características pero no por qué existen".

Hace unos días se difundió la noticia de que un equipo de científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong (China), encabezado por Shan-Qing Yang, había medido con una precisión récord la constante de la gravitación universal (los resultados se publicaron en agosto en la revista Nature). Merece la pena decir algo sobre esto porque involucra la fuerza de la que más conscientes somos, y ello a pesar de su extrema debilidad: es 10 elevado a 36 (un 1 seguido de 36 ceros) veces más débil que la otra fuerza más "visible", la electromagnética.

La razón por la que somos tan conscientes de su existencia es porque no existen masas negativas que se cancelen entre sí (lo que sí ocurre con las cargas eléctricas), y la masa total de la Tierra, la que hace que los cuerpos (incluidos nosotros, por supuesto) caigan, es de 5×10 elevado a 21 toneladas, suficiente para que la percibamos constantemente. Aprovecho para decir que la existencia de la fuerza gravitacional, al igual que la de las otras tres fuerzas que se han identificado en la naturaleza, es, en el fondo, sorprendente: la física descubre cuáles son sus características principales, pero no por qué existen. Soy de la opinión de que, en general, los niños pequeños no tiran las cosas por maldad, sino que las dejan caer porque se maravillan de que caigan. Como con tantas otras cosas, al crecer y acostumbrarnos a lo que nos rodea y experimentamos, los adultos perdemos esa capacidad de sorprendernos, en la que se halla la fuente de la ciencia.

Pero volvamos a la constante de la gravitación universal, denotada por G (mi letra, por cierto, en la Real Academia Española). Su origen se remonta a 1687, cuando en la tercera parte de su inmortal libro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica Isaac Newton introdujo la ley que describe el movimiento de los cuerpos celestes y la caída de los objetos en planetas como el nuestro, una ley que dice que existe una fuerza, un "poder gravitacional", que hace que cualquier pareja de cuerpos se atraigan entre sí con un valor proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Esa constante de proporcionalidad es G. Y medir su valor exacto es muy importante, ya que afecta a numerosos cálculos, desde, como bien saben los geólogos, la determinación de la estructura y composición de la Tierra, hasta el cálculo de las masas de cuerpos celestes, datos imprescindibles para múltiples problemas astrofísicos y cosmológicos.

Junto a la velocidad de la luz en el vacio y la constante de Planck, G pertenece a un grupo muy reducido de las constantes universales

A la vista de semejante importancia, cabría suponer que hace mucho que la medición de G debió ser objeto de atención por parte de los físicos. Y así es: en 1798, un excéntrico inglés, a quien se deben bastantes resultados notables en electricidad y química, Henry Cavendish, utilizó un instrumento que había sido inventado previamente por otro inglés, John Michell (1724-1793): la balanza de torsión. Michell -la primera persona que consideró la posibilidad de la existencia de "agujeros negros" gravitacionales, idea que publicó en 1784- tenía la intención de medir G, pero murió antes de poder hacerlo y su aparato pasó a manos de su amigo Cavendish. Sin embargo, el resultado obtenido por éste, valioso como sin duda es, sufría de uno de los mayores enemigos de la investigación científica: de incertidumbre, o si se prefiere, de que no era muy exacto. No es sorprendente que fuera así: medir la atracción gravitacional entre dos cuerpos, del tipo de los que se pueden disponer en un laboratorio, es una tarea muy difícil debido a lo minúsculo de la atracción entre ellos. Y no es este el único problema: hay que distinguir esa atracción mutua de la que ejerce la Tierra; es necesario evitar corrientes de convección que puedan surgir de cambios de temperatura (es por esto que los experimentos se realizan ahora en cámaras de vacío); y los objetos utilizados deben estar compuestos de materiales perfectamente uniformes para que sus centros de masa estén perfectamente localizados.

Dificultades como estas ayudan a comprender que aunque la interacción gravitacional dispuso de una teoría -la de Newton- mucho antes que las tres restantes (la electromagnética, que completó Maxwell en la segunda mitad del siglo XIX, la fuerte y la débil, que no hallaron sus "Newton" hasta bien entrado el siglo XX), la incertidumbre en el valor de G es de una parte en diez mil, muy grande comparada con, por ejemplo, la relación entre las masas del protón y electrón, que es de una parte en diez mil millones. A lo largo de los últimos cuarenta años, se realizaron bastantes experimentos para medir G, pero los resultados difieren entre sí apreciablemente, y el error más pequeño obtenido es del 0,00137 por 100. Los resultados conseguidos ahora por el grupo de Shan-Qing Yang -que también utilizó un tipo de balanza de torsión- han mejorado la precisión anterior, que ahora queda en el 0,00116 por 100.

Seguramente algunos de ustedes, apreciados lectores, pensarán que a este episodio se le puede aplicar aquello que escribió Shakespeare: "Much ado about nothing", esto es, "Mucho ruido para nada", o mejor, "Mucho ruido y pocas nueces". Se equivocarán si piensan así, o expresado de otra forma, no habrán captado la verdadera naturaleza de la ciencia, que en general avanza con lentitud, paso a paso. Nos fascina el Einstein que de un plumazo, en un único artículo, creó la teoría especial de la relatividad; o la página y media de Nature en la que Watson y Crick presentaron el modelo de la doble hélice del ADN, pero esto sólo es como la superficie de un iceberg, la mayor parte de cuya masa permanece oculta bajo el agua.

Determinar con mayor precisión el valor de G es un problema tal vez no fundamental, pero sí importante. ¿Quién sabe, además, si los diferentes resultados obtenidos en el pasado -realizados por científicos competentes- no ocultan algo más primordial?, porque realmente no sabemos el porqué de tales diferencias. Y no olvidemos que G es una de las joyas más preciadas de la física: junto a la velocidad de la luz en el vacío y la constante de Planck (pieza esencial de la física cuántica), pertenece a un grupo muy reducido y exclusivo, el de las constantes universales de la naturaleza...