La Gravedad, ¿una teoría finalizada?

Por: Juan Rodríguez Vega

En nuestros cursos de Física en la escuela Secundaria o Preparatoria aprendemos que la gravedad es un fenómeno natural por el cual los objetos con masa son atraídos entre sí, efecto mayormente observable en la interacción entre los planetas, galaxias y demás objetos del universo. Pero, ¿es esto cierto? Echemos un vistazo a la Historia.

Aristóteles decía que cada cosa tiende por naturaleza a cierta posición preferida. Por ejemplo: Una piedra cae porque es natural que vaya al suelo, ya que la piedra y el suelo tienen naturaleza parecida. Los movimientos que observamos son precisamente su tendencia de ir allí.

Pero Aristóteles no era tonto, distinguía entre lo que llamaba movimientos naturales (el agua bajando por un torrente) y movimientos violentos (disparar una flecha). En los movimientos violentos, producidos por los seres vivos, creía que siempre debía estar actuando una fuerza. En el caso de la flecha, la fuerza inicial la producía el arquero, pero luego creía que lo que mantenía la flecha en movimiento era la fuerza del aire que la empujaba constantemente desde atrás.

Hasta Galileo (siglo XVII) esta fue la teoría aceptada

Galileo no sólo reflexionó sobre esto (¿qué pasa si el arquero dispara su flecha atravesada?; ¿no debería llegar más lejos, si de verdad el aire la empuja, dado que en esa dirección ofrece más superficie que de frente?), sino que también experimentó tirando distintos objetos desde la Torre inclinada de Pisa. Observó que los cuerpos caían igual, independientemente de su masa, tamaño y forma (si despreciaba el efecto de fricción del aire) y que no caían con velocidad constante, como creía Aristóteles, sino que iban acelerándose.

Newton desarrolló estas ideas en su teoría de la gravitación universal

ENGLAND – JANUARY 01: Sir Isaac Newton (1642-1727) .Canvas. (Photo by Imagno/Getty Images) [Sir Isaac Newton (1642-1727) . Gemaelde.]

La historia de la manzana y Newton es casi tan famosa como la de Eva y su manzana (¿qué tendrán las manzanas?). Hay quien piensa que es también una leyenda, pero lean lo que escribió un amigo suyo. Nos enseña, entre otras muchas cosas, que reflexionar sobre lo que vemos (aunque parezca intrascendente) es la clave.

“Tras la cena (el 15 de abril de 1726), con clima agradable, salimos al jardín, él (Newton) y yo a tomar el té a la sombra de unos manzanos. En la conversación me dijo que estaba en la misma situación que cuando le vino a la mente por primera vez la idea de la gravitación. La originó la caída de una manzana, mientras estaba sentado, reflexionando. Pensó para sí ¿por qué tiene que caer la manzana siempre perpendicularmente al suelo? ¿Por qué no cae hacia arriba o hacia un lado, y no siempre hacia el centro de la Tierra? La razón tiene que ser que la Tierra la atrae. Debe haber una fuerza de atracción en la materia; y la suma de la fuerza de atracción de la materia de la Tierra debe estar en el centro de la Tierra, y no en otro lado. Por esto la manzana cae perpendicularmente, hacia el centro. Por tanto, si la materia atrae a la materia, debe ser en proporción a su cantidad (la masa). La manzana atrae a la Tierra tanto como la Tierra atrae a la manzana. Hay una fuerza, la que aquí llamamos gravedad, que se extiende por todo el universo”. W. Stukeley (Memorias de la vida de Sir Isaac Newton). Así desarrolló su idea y formuló su Ley de la Gravitación Universal, aparecida en su obra (una de los textos más importantes e impresionantes de la Historia) su libro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, “la gravedad es un fenómeno natural por el cual los objetos con masa son atraídos entre sí”.

Hoy en día pensamos que la gravedad es de naturaleza puramente geométrica. Esta afirmación encierra una idea de la naturaleza de gran belleza. Albert Einstein combinó los conceptos de espacio y tiempo en un único concepto al que llamó espacio-tiempo que, además, pasó de ser el lugar en el que ocurrían los fenómenos físicos a ser una cantidad física, es decir, algo que podemos meter en una ecuación matemática y resolverlo. 

Albert Einstein

La teoría de la relatividad general de Einstein describe la gravedad de forma que se puede predecir de forma satisfactoria la órbita de Mercurio y otros fenómenos físicos fuera del Sistema Solar, que tampoco se avienen a la mecánica de Newton. Esa nueva descripción que hizo Einstein dice que la gravedad (es decir, lo que hace que las masas se atraigan) es un efecto de la curvatura del espacio-tiempo.

Según Einstein, no existe el empuje gravitatorio; dicha fuerza es una ilusión, un efecto de la geometría. Así, la Tierra deforma el espacio-tiempo de nuestro entorno, de manera que el propio espacio nos empuja hacia el suelo. Una hormiga, al caminar sobre un papel arrugado, tendrá la sensación de que hay fuerzas misteriosas que la empujan hacia diferentes direcciones, pero lo único que existe son pliegues en el papel, su geometría.

El espacio-tiempo se curva debido a la materia que contiene y esa curvatura hace, a su vez, que la materia se mueva de un modo determinado. Si visualizamos el espacio-tiempo como una red que se curva al contener una bola pesada, podremos entender el movimiento de otras bolas menores por la red como debidos a la curvatura producida por la primera bola. Y el movimiento de las otras bolas por el espacio-tiempo curvado es lo que Newton y otras muchas personas después de él habían supuesto que estaba originado por una fuerza de atracción llamada gravedad. La curvatura del espacio-tiempo hace que incluso la luz modifique su trayectoria al pasar cerca de un objeto pesado, un fenómeno que se ha medido con gran precisión. La teoría de la relatividad general nos permite describir las órbitas de los planetas del Sistema Solar y predecir la física en las regiones cercanas a los agujeros negros e incluso nos ayuda a comprender la evolución del mayor sistema gravitatorio, el Universo.

La observación en 2015 de las ondas gravitacionales predichas por Einstein ha sido la culminación del poder predictivo de la teoría. La relatividad general predice la propagación de ondas gravitatorias. Estas ondas solo podrían ser medibles si las originan fenómenos astrofísicos violentos, como el choque de dos estrellas masivas o remanentes del Big Bang. Estudios preliminares sugieren que estas ondas han sido finalmente detectadas de forma indirecta en la variación del periodo de rotación de púlsares dobles, y según el proyecto LIGO, también se detectaron provenientes de la unión de dos agujeros negros. Por otro lado, las teorías cuánticas actuales apuntan a una “unidad de medida de la gravedad”, el gravitón, como partícula que provoca dicha “fuerza”, es decir, como partícula asociada al campo gravitatorio. En 2017 el equipo de Físicos formado por Kip Stephen Thorne, Barry C. Barish y Rainer Weiss recibieron el Premio Nobel por la detección de las ondas gravitacionales.

Kip Stephen Thorne, Barry C. Barish y Rainer Weiss recibieron el Premio Nobel

¿Quiere esto decir que tenemos ya la explicación de la naturaleza última de la gravedad? Pues no lo sabemos. Con los conocimientos que poseemos hoy día podríamos decir que la verdadera naturaleza de la gravedad es la curvatura del espacio-tiempo. Pero también es verdad que desde hace muchos años intentamos combinar la teoría de la relatividad general con la teoría cuántica y todavía no sabemos si lo hemos conseguido. Para complicar aún más las cosas, la interpretación de muchos datos astrofísicos cuando nos guiamos por la relatividad general indica que la materia que conocemos sólo es alrededor del 5% del contenido del cosmos. Y no estamos completamente seguros de qué constituye ese otro 95% de la energía del Universo. La explicación podría estar en que, en contra de lo que pensamos, todavía no hemos entendido bien la gravedad.

Arthur Stanley Eddington

Entender la relatividad general de Einstein no es fácil. L Silberstein preguntó a Arthur Stanley Eddington tras el eclipse de 1919 (cuando se acababa de confirmar la predicción de Einstein de que la luz se curvaba por la gravedad): “Profesor, usted debe ser una de las tres personas en el mundo que entiendan la relatividad ¿verdad?”. Eddington se quedó dudando, y Silberstein insistió: “Vamos, profesor, no sea modesto”. Eddington respondió: “Al contrario, intento pensar quién es la tercera…”.

Se cuenta que Einstein dijo una vez que le resultaría difícil dar clase en un colegio mixto, porque los chicos estarían todo el rato mirando a las chicas y no escucharían al profesor. Alguien le dijo que sí le escucharían a él con total atención y olvidándose de las chicas… “Tales chicos no merecerían que les diera clase”, contestó.

“La única razón de que exista el tiempo es para que todo no ocurra a la vez”.

A. Einstein

“Sólo hay dos cosas infinitas: el universo y la estupidez humana; y no estoy seguro de la primera”.

A. Einstein

Referencias

es.wikipedia.org

iac.es/educa

elpais.com

nobelprize.com

Es cuanto

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