Contenido
- Una breve historia de la gravedad
- Teorías de la gravedad
- Teoría general de la relatividad de Einsteins
- La gravedad de la tierra y más allá
La mayoría de las personas, científicamente orientadas o no, tienen al menos una vaga idea de que una cantidad o concepto llamado "gravedad" es lo que mantiene a los objetos, incluidos ellos mismos, atados a la Tierra. Entienden que esto es una bendición en general, pero no tanto en ciertas situaciones, por ejemplo, cuando se posan en la rama de un árbol y no están seguros de cómo volver al suelo ileso, o cuando se trata de establecer un nuevo récord personal en un evento como el salto de altura o el salto con pértiga.
Quizás sea difícil apreciar la noción de gravedad en sí misma hasta ver lo que sucede cuando su influencia disminuye o se borra, como cuando se observan imágenes de astronautas en una estación espacial que orbita el planeta lejos de la superficie de la Tierra. Y en verdad, los físicos tienen poca idea de lo que finalmente "causa" la gravedad, más de lo que pueden decirnos a ninguno de nosotros por qué el universo existe en primer lugar. Sin embargo, los físicos han producido ecuaciones que describen lo que la gravedad hace excepcionalmente bien, no solo en la Tierra sino en todo el cosmos.
Una breve historia de la gravedad
Hace más de 2.000 años, a los pensadores griegos antiguos se les ocurrieron muchas ideas que han resistido en gran medida la prueba del tiempo y sobrevivieron a la modernidad. Ellos discernieron que los objetos lejanos como los planetas y las estrellas (las verdaderas distancias de la Tierra de las cuales, por supuesto, los observadores no tenían forma de saber) estaban, en efecto, físicamente unidos entre sí a pesar de presumiblemente no tener nada como cables o cuerdas que los conectan juntos. En ausencia de otras teorías, los griegos propusieron que los movimientos del sol, la luna, las estrellas y los planetas fueran dictados por los caprichos de los dioses. (De hecho, todos los planetas que se conocían en esos días llevaban nombres de dioses). Si bien esta teoría era clara y decisiva, no era comprobable y, por lo tanto, no era más que un sustituto de una explicación más satisfactoria y científicamente rigurosa.
No fue sino hasta hace unos 300 a 400 años que astrónomos como Tycho Brahe y Galileo Galilei reconocieron que, contrariamente a las enseñanzas bíblicas que tenían cerca de 15 siglos de antigüedad, la Tierra y los planetas giraban alrededor del sol, en lugar de que la Tierra estuviera en el centro del universo. Esto allanó el camino para las exploraciones de la gravedad tal como se entiende actualmente.
Teorías de la gravedad
Una forma de pensar en la atracción gravitacional entre objetos, expresada por el fallecido físico teórico Jacob Bekenstein en un ensayo para CalTech, es como "fuerzas de largo alcance que los cuerpos eléctricamente neutros ejercen entre sí debido a su contenido de materia". Es decir, mientras que los objetos pueden experimentar una fuerza como resultado de las diferencias en la carga electrostática, la gravedad en cambio da como resultado una fuerza debido a la gran masa. Técnicamente, usted y la computadora, teléfono o tableta que están leyendo esto ejercen fuerzas gravitacionales entre sí, pero usted y su dispositivo habilitado para Internet son tan pequeños que esta fuerza es prácticamente indetectable. Obviamente, para objetos en la escala de planetas, estrellas, galaxias enteras e incluso grupos de galaxias, es una historia diferente.
Isaac Newton (1642-1727), acreditado por ser una de las mentes matemáticas más brillantes de la historia y uno de los co-inventores del campo del cálculo, propuso que la fuerza de gravedad entre dos objetos es directamente proporcional al producto de su masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Esto toma la forma de la ecuación:
Fgrav = (G × m1 × m2) / r2
donde Fgrav es la fuerza gravitacional en newtons, m1 y M2 son las masas de los objetos en kilogramos, r es la distancia que separa los objetos en metros y el valor de la constante de proporcionalidad G es 6.67 × 10-11 (N ⋅ m2)/kg2.
Si bien esta ecuación funciona magníficamente para fines cotidianos, su valor disminuye cuando los objetos en cuestión son relativistas, es decir, descritos por masas y velocidades muy fuera de la experiencia humana típica. Aquí es donde entra en juego la teoría de la gravedad de Einsteins.
Teoría general de la relatividad de Einsteins
En 1905, Albert Einstein, cuyo nombre es quizás el más reconocible en la historia de la ciencia y el más sinónimo de hazañas geniales, publicó su teoría especial de la relatividad. Entre otros efectos que esto tuvo sobre el cuerpo existente de conocimientos de física, puso en tela de juicio la suposición incorporada en el concepto de gravedad de Newton, que es que la gravedad en efecto opera instantáneamente entre los objetos, independientemente de la inmensidad de su separación. Después de que los cálculos de Einsteins establecieran que la velocidad de la luz, 3 × 108 m / so aproximadamente 186,000 millas por segundo, colocando un límite superior a la rapidez con la que se podía propagar cualquier cosa a través del espacio, las ideas de Newton repentinamente parecían vulnerables, al menos en ciertos casos. En otras palabras, si bien la teoría gravitacional newtoniana continuó funcionando admirablemente en casi todos los inconvenientes imaginables, claramente no era una descripción universalmente verdadera de la gravedad.
Einstein pasó los siguientes 10 años formulando otra teoría, una que reconciliaría el marco gravitacional básico de Newton con el límite superior que la velocidad de la luz impuso, o parecía imponer, en todos los procesos en el universo. El resultado, que Einstein introdujo en 1915, fue la teoría general de la relatividad. El triunfo de esta teoría, que forma la base de todas las teorías gravitacionales hasta el día de hoy, es que enmarca el concepto de gravitación como una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo, no como una fuerza per se. Esta idea no era del todo nueva; el matemático Georg Bernhard Riemann había producido ideas relacionadas en 1854. Pero Einstein había transformado la teoría gravitacional de algo basado únicamente en fuerzas físicas en una teoría más basada en la geometría: propuso una cuarta dimensión de facto, el tiempo, para acompañar las tres dimensiones espaciales. eso ya te era familiar.
La gravedad de la tierra y más allá
Una de las implicaciones de la teoría general de la relatividad de Einsteins es que la gravedad operaba independientemente de la masa o la composición física de los objetos. Esto significa que, entre otras cosas, una bala de cañón y una canica lanzada desde la parte superior de un rascacielos caerán hacia el suelo a la misma velocidad, aceleradas exactamente en la misma medida por la fuerza de la gravedad a pesar de que una sea mucho más masiva que la otra. . (Es importante tener en cuenta por completo que esto es técnicamente cierto solo en un vacío, donde la resistencia del aire no es un problema. Una pluma claramente cae más lentamente que un lanzamiento de bala, pero en un vacío, este no sería el caso .) Este aspecto de la idea de Einsteins fue suficientemente comprobable. ¿Pero qué pasa con las situaciones relativistas?
En julio de 2018, un equipo internacional de astrónomos concluyó un estudio de un sistema de triple estrella a 4.200 años luz de la Tierra. Un año luz es la distancia que recorre la luz en un año (aproximadamente seis billones de millas), esto significa que los astrónomos aquí en la Tierra estaban observando fenómenos reveladores de luz que realmente ocurrieron en aproximadamente 2.200 a. C. Este sistema inusual consiste en dos estrellas pequeñas y densas, una "púlsar" girando sobre su eje 366 veces por segundo, y la otra una enana blanca, orbitando entre sí con un período notablemente corto de 1.6 días. Este par a su vez orbita una estrella enana blanca más distante cada 327 días. En resumen, la única descripción de la gravedad que podría explicar los movimientos frenéticos mutuos de las tres estrellas en este sistema altamente inusual fue la teoría general de la relatividad de Einsteins, y las ecuaciones, de hecho, se ajustan perfectamente a la situación.