¿Qué causa la gravedad en la Tierra?

La mayoría de las personas, científicamente orientadas o no, tienen al menos una vaga idea de que alguna 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 menos en ciertas situaciones, por ejemplo, cuando se posan en la rama de un árbol y un poco no está seguro de cómo volver al suelo ileso, o cuando intenta establecer un nuevo récord personal en un evento como el salto de altura o la pértiga bóveda.

Quizás sea difícil apreciar la noción de gravedad en sí misma hasta ver lo que sucede cuando su influencia disminuye. o borrado, como cuando se ven imágenes de astronautas en una estación espacial orbitando el planeta lejos de la Tierra. superficie. Y, en verdad, los físicos tienen poca idea de lo que en última instancia "causa" la gravedad, como tampoco pueden decirnos a cualquiera de nosotros por qué existe el universo 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.

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 han sobrevivido hasta la modernidad. Ellos discernieron que objetos lejanos como planetas y estrellas (cuyas verdaderas distancias desde la Tierra, por supuesto, los observadores no tenían forma de saber) estaban, en efecto, físicamente atados entre sí a pesar de que presumiblemente no tenían nada como cables o cuerdas que los conectaran juntos. En ausencia de otras teorías, los griegos propusieron que los movimientos del sol, la luna, las estrellas y los planetas estaban dictados por los caprichos de los dioses. (De hecho, todos los planetas que se sabe 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 investigación más satisfactoria y científicamente rigurosa. explicación.

No fue hasta hace unos 300 a 400 años que astrónomos como Tycho Brahe y Galileo Galilei reconocieron que, contrariamente a lo que dice la Biblia Enseñanzas cercanas a los 15 siglos de antigüedad, la Tierra y los planetas giraban alrededor del sol, en lugar de que la Tierra estuviera en el centro de la universo. Esto allanó el camino para las exploraciones de la gravedad como se entiende actualmente.

Una forma de pensar en la atracción gravitacional entre objetos, expresada por el difunto físico teórico Jacob Bekenstein en un ensayo para CalTech, es como "fuerzas de largo alcance que los cuerpos eléctricamente neutrales ejercen entre sí debido a su contenido de materia". Es decir, mientras que los objetos pueden experimentar una fuerza como resultado de diferencias en la carga electrostática, la gravedad en cambio da como resultado una fuerza debido a la pura masa. Técnicamente, usted y la computadora, teléfono o tableta en la que está leyendo esto ejercen fuerzas gravitacionales en entre sí, pero usted y su dispositivo habilitado para Internet son tan pequeños que esta fuerza es virtualmente indetectable. Obviamente, para objetos en la escala de planetas, estrellas, galaxias enteras e incluso cúmulos de galaxias, la historia es diferente.

Isaac Newton (1642-1727), a quien se le atribuye 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 sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. Esto toma la forma de la ecuación:

donde F_grav es la fuerza gravitacional en newtons, m₁ y M₂ son las masas de los objetos en kilogramos, r es la distancia que los separa 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 preguntas son relativistas, es decir, descritas por masas y velocidades muy por fuera de los experiencia. Aquí es donde entra en juego la teoría de la gravedad de Einstein.

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 en el cuerpo existente de conocimiento de la física, puso en duda la suposición incorporada en la teoría de Newton. concepto de gravedad, que es que la gravedad en efecto operó instantáneamente entre objetos independientemente de la inmensidad de su separación. Después de que los cálculos de Einstein establecieran que la velocidad de la luz, 3 × 10⁸ m / so aproximadamente 186.000 millas por segundo, colocó un límite superior en la rapidez con que cualquier cosa podría propagarse a través del espacio, las ideas de Newton de repente parecían vulnerables, al menos en ciertos casos. En otras palabras, si bien la teoría gravitacional newtoniana continuó funcionando admirablemente en casi todos los contextos imaginables, claramente no era una descripción universalmente verdadera de la gravedad.

Einstein pasó los siguientes 10 años formulando otra teoría, una que reconciliaría la teoría gravitacional básica de Newton. marco con el límite superior la velocidad de la luz imponía, o parecía imponer, a todos los procesos del 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 Enmarcó el concepto de gravitación como una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo, no como una fuerza por se. Esta idea no era del todo nueva; el matemático Georg Bernhard Riemann había producido ideas relacionadas en 1854. Pero Einstein había transformado así la teoría gravitacional de algo arraigado puramente en fuerzas físicas en una teoría más teoría basada en la geometría: propuso una cuarta dimensión de facto, el tiempo, para acompañar las tres dimensiones espaciales que ya familiar.

Una de las implicaciones de la teoría general de la relatividad de Einstein es que la gravedad operaba independientemente de la masa o composición física de los objetos. Esto significa que, entre otras cosas, una bala de cañón y una canica lanzada desde lo alto de un rascacielos caerán al suelo en la misma velocidad, acelerada exactamente en la misma medida por la fuerza de la gravedad a pesar de que una es mucho más masiva que la otra. (Es importante señalar en aras de la integridad que esto es técnicamente cierto solo en el vacío, donde la resistencia del aire no es un problema. Una pluma cae claramente más lentamente que un lanzamiento de bala, pero en el vacío, este no sería el caso.) Este aspecto de la idea de Einstein era lo 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 estrellas triples a 4.200 años luz de la Tierra. Siendo un año luz la distancia que viaja la luz en un año (alrededor de seis billones de millas), esto significa que los astrónomos aquí en la Tierra estaban observando fenómenos que revelan la luz que realmente ocurrieron alrededor del 2200 a.C. Este inusual sistema consta de dos estrellas diminutas y densas, una a "pulsar" girando sobre su eje 366 veces por segundo, y el otro una enana blanca - orbitando entre sí con un período notablemente corto de 1,6 dias. 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 era la teoría general de la relatividad de Einstein, y las ecuaciones, de hecho, se ajustan a la situación perfectamente.