Las formas de dos galaxias masivas en la foto están distorsionadas debido a la gravedad.
En física, la gravedad (del latín gravitas 'peso' [1] ) es una interacción fundamental que se observa principalmente como atracción mutua entre todas las cosas que tienen masa . La gravedad es, con diferencia, la más débil de las cuatro interacciones fundamentales, aproximadamente 10,38 veces más débil que la interacción fuerte , 10,36 veces más débil que la fuerza electromagnética y 10,29 veces más débil que la interacción débil . Como resultado, no tiene ninguna influencia significativa a nivel de partículas subatómicas . [2] Sin embargo, la gravedad es la interacción más significativa entre objetos a escala macroscópica , y determina el movimiento de los planetas , las estrellas , las galaxias e incluso la luz .
La atracción gravitacional entre la materia gaseosa original del universo hizo que se fusionara y formara estrellas que eventualmente se condensaron en galaxias, por lo que la gravedad es responsable de muchas de las estructuras a gran escala del universo. La gravedad tiene un alcance infinito, aunque sus efectos se vuelven más débiles a medida que los objetos se alejan.
La gravedad se describe con mayor precisión mediante la teoría general de la relatividad , propuesta por Albert Einstein en 1915, que describe la gravedad no como una fuerza, sino como la curvatura del espacio-tiempo , causada por la distribución desigual de la masa, y que hace que las masas se muevan a lo largo de líneas geodésicas . . El ejemplo más extremo de esta curvatura del espacio-tiempo es un agujero negro , del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar una vez pasado el horizonte de sucesos del agujero negro . [3] Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones, la gravedad se aproxima bien mediante la ley de gravitación universal de Newton , que describe la gravedad como una fuerza que hace que dos cuerpos cualesquiera se atraigan entre sí, con una magnitud proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional a el cuadrado de la distancia entre ellos.
La gravitación , también conocida como atracción gravitacional, es la atracción mutua entre todas las masas del universo. La gravedad es la atracción gravitacional en la superficie de un planeta u otro cuerpo celeste; [6] la gravedad también puede incluir, además de la gravitación, la fuerza centrífuga resultante de la rotación del planeta (ver § Gravedad de la Tierra) . [7]
Historia
mundo antiguo
La naturaleza y el mecanismo de la gravedad fueron explorados por una amplia gama de eruditos antiguos. En Grecia , Aristóteles creía que los objetos caían hacia la Tierra porque la Tierra era el centro del Universo y atraía toda la masa del Universo hacia ella. También pensó que la velocidad de un objeto que cae debería aumentar con su peso, conclusión que luego se demostró que era falsa. [8] Si bien la opinión de Aristóteles fue ampliamente aceptada en toda la Antigua Grecia, hubo otros pensadores como Plutarco que predijeron correctamente que la atracción de la gravedad no era exclusiva de la Tierra. [9]
Aunque no entendía la gravedad como una fuerza, el antiguo filósofo griego Arquímedes descubrió el centro de gravedad de un triángulo. [10] Postuló que si dos pesos iguales no tuvieran el mismo centro de gravedad, el centro de gravedad de los dos pesos juntos estaría en el medio de la línea que une sus centros de gravedad. [11] Dos siglos más tarde, el ingeniero y arquitecto romano Vitruvio sostuvo en su De arquitectoura que la gravedad no depende del peso de una sustancia sino de su "naturaleza". [12]
En el siglo VI d.C., el erudito alejandrino bizantino Juan Filopono propuso la teoría del ímpetu, que modifica la teoría de Aristóteles de que "la continuación del movimiento depende de la acción continua de una fuerza" al incorporar una fuerza causante que disminuye con el tiempo. [13]
En el siglo VII d.C., el matemático y astrónomo indio Brahmagupta propuso la idea de que la gravedad es una fuerza de atracción que atrae objetos hacia la Tierra y utilizó el término gurutvākarṣaṇ para describirla. [14] [15] [16]
En el antiguo Oriente Medio , la gravedad era un tema de intenso debate. El intelectual persa Al-Biruni creía que la fuerza de gravedad no era exclusiva de la Tierra y supuso correctamente que otros cuerpos celestes también deberían ejercer una atracción gravitacional. [17] En contraste, Al-Khazini mantuvo la misma posición que Aristóteles de que toda la materia en el Universo es atraída hacia el centro de la Tierra. [18]
La Torre Inclinada de Pisa , donde según la leyenda Galileo realizó un experimento sobre la velocidad de la caída de los objetos
Revolución científica
A mediados del siglo XVI, varios científicos europeos refutaron experimentalmente la noción aristotélica de que los objetos más pesados caen a un ritmo más rápido. [19] En particular, el sacerdote dominico español Domingo de Soto escribió en 1551 que los cuerpos en caída libre se aceleran uniformemente. [19] De Soto puede haber sido influenciado por experimentos anteriores realizados por otros sacerdotes dominicos en Italia, incluidos los de Benedetto Varchi , Francesco Beato, Luca Ghini y Giovan Bellaso , que contradecían las enseñanzas de Aristóteles sobre la caída de los cuerpos. [19]
El físico italiano de mediados del siglo XVI Giambattista Benedetti publicó artículos afirmando que, debido a la gravedad específica , objetos hechos del mismo material pero con diferentes masas caerían a la misma velocidad. [20] Con el experimento de la torre de Delft de 1586 , el físico flamenco Simon Stevin observó que dos balas de cañón de diferentes tamaños y pesos caían al mismo ritmo cuando se dejaban caer desde una torre. [21] A finales del siglo XVI, las cuidadosas mediciones de bolas que rodaban inclinadas por parte de Galileo Galilei le permitieron establecer firmemente que la aceleración gravitacional es la misma para todos los objetos. [22] Galileo postuló que la resistencia del aire es la razón por la que los objetos con baja densidad y gran superficie caen más lentamente en una atmósfera.
En 1604, Galileo planteó correctamente la hipótesis de que la distancia de la caída de un objeto es proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido. [23] Esto fue confirmado más tarde por los científicos italianos jesuitas Grimaldi y Riccioli entre 1640 y 1650. También calcularon la magnitud de la gravedad de la Tierra midiendo las oscilaciones de un péndulo. [24]
La teoría de la gravitación de Newton.
En 1657, Robert Hooke publicó su Micrographia , en la que planteaba la hipótesis de que la Luna debía tener su propia gravedad. [25] En 1666, añadió dos principios más: que todos los cuerpos se mueven en línea recta hasta que son desviados por alguna fuerza y que la fuerza de atracción es más fuerte para los cuerpos más cercanos. En una comunicación a la Royal Society en 1666, Hooke escribió [26]
Explicaré un sistema del mundo muy diferente a cualquiera recibido hasta ahora. Se fundamenta en las siguientes posiciones. 1. Que todos los cuerpos celestes no sólo tienen una gravitación de sus partes hacia su propio centro, sino que también se atraen mutuamente dentro de sus esferas de acción. 2. Que todos los cuerpos que tienen un movimiento simple continuarán moviéndose en línea recta, a menos que alguna fuerza extraña los desvíe continuamente de ella y los haga describir un círculo, una elipse o alguna otra curva. 3. Que esta atracción es tanto mayor cuanto más cerca están los cuerpos. En cuanto a la proporción en que esas fuerzas disminuyen con el aumento de la distancia, confieso que no lo he descubierto...
La conferencia de Hooke en Gresham en 1674, Un intento de probar el movimiento anual de la Tierra , explicó que la gravitación se aplicaba a "todos los cuerpos celestes" [27].
Físico y matemático inglés, Sir Isaac Newton (1642-1727)
En 1684, Newton envió un manuscrito a Edmond Halley titulado De motu corporum in gyrum ('Sobre el movimiento de los cuerpos en una órbita') , que proporcionaba una justificación física para las leyes del movimiento planetario de Kepler . [28] Halley quedó impresionado por el manuscrito e instó a Newton a ampliarlo, y unos años más tarde Newton publicó un libro innovador llamado Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ( Principios matemáticos de la filosofía natural ). En este libro, Newton describió la gravitación como una fuerza universal y afirmó que "las fuerzas que mantienen a los planetas en sus órbitas deben [ser] recíprocamente como los cuadrados de sus distancias a los centros alrededor de los cuales giran". Esta afirmación se resumió posteriormente en la siguiente ley del inverso del cuadrado:
donde F es la fuerza, m 1 y m 2 son las masas de los objetos que interactúan, r es la distancia entre los centros de las masas y G es la constante gravitacional6.674 × 10 −11 m 3 ⋅kg −1 ⋅s −2 . [ 29]
Los Principia de Newton fueron bien recibidos por la comunidad científica y su ley de gravitación se extendió rápidamente por todo el mundo europeo. [30] Más de un siglo después, en 1821, su teoría de la gravitación alcanzó aún mayor prominencia cuando se utilizó para predecir la existencia de Neptuno . Ese año, el astrónomo francés Alexis Bouvard utilizó esta teoría para crear una tabla que modelaba la órbita de Urano , que demostró diferir significativamente de la trayectoria real del planeta. Para explicar esta discrepancia, muchos astrónomos especularon que podría haber un objeto grande más allá de la órbita de Urano que estuviera alterando su órbita. En 1846, los astrónomos John Couch Adams y Urbain Le Verrier utilizaron de forma independiente la ley de Newton para predecir la ubicación de Neptuno en el cielo nocturno, y el planeta fue descubierto allí en un día. [31]
Relatividad general
Finalmente, los astrónomos notaron una excentricidad en la órbita del planeta Mercurio que no podía explicarse con la teoría de Newton: el perihelio de la órbita aumentaba aproximadamente 42,98 segundos de arco por siglo. La explicación más obvia para esta discrepancia fue un cuerpo celeste aún no descubierto, como un planeta que orbita alrededor del Sol incluso más cerca que Mercurio, pero todos los esfuerzos para encontrar tal cuerpo resultaron infructuosos. En 1915, Albert Einstein desarrolló una teoría de la relatividad general que pudo modelar con precisión la órbita de Mercurio. [32]
En la relatividad general, los efectos de la gravitación se atribuyen a la curvatura del espacio-tiempo en lugar de a una fuerza. Einstein comenzó a jugar con esta idea en forma del principio de equivalencia , un descubrimiento que más tarde describió como "el pensamiento más feliz de mi vida". [33] En esta teoría, la caída libre se considera equivalente al movimiento inercial, lo que significa que los objetos inerciales en caída libre se aceleran en relación con los observadores no inerciales en el suelo. [34] [35] A diferencia de la física newtoniana , Einstein creía que era posible que esta aceleración ocurriera sin que se aplicara ninguna fuerza al objeto.
Einstein propuso que el espacio-tiempo está curvado por la materia y que los objetos en caída libre se mueven a lo largo de trayectorias localmente rectas en el espacio-tiempo curvo. Estos caminos rectos se llaman geodésicas . Al igual que en la primera ley del movimiento de Newton, Einstein creía que una fuerza aplicada a un objeto provocaría que se desviara de una geodésica. Por ejemplo, las personas que se encuentran en la superficie de la Tierra no pueden seguir un camino geodésico porque la resistencia mecánica de la Tierra ejerce una fuerza hacia arriba sobre ellas. Esto explica por qué el movimiento a lo largo de las geodésicas en el espacio-tiempo se considera inercial.
La descripción de Einstein de la gravedad fue rápidamente aceptada por la mayoría de los físicos, ya que podía explicar una amplia variedad de resultados experimentales previamente desconcertantes. [36] En los años siguientes, una amplia gama de experimentos proporcionó apoyo adicional a la idea de la relatividad general. [37] : p.1-9 [38] [39] [40] [41] Hoy en día, la teoría de la relatividad de Einstein se utiliza para todos los cálculos gravitacionales donde se desea una precisión absoluta, aunque la ley del cuadrado inverso de Newton es lo suficientemente precisa para prácticamente todos los cálculos ordinarios. [37] : pág.79 [42]
investigación moderna
En la física moderna , la relatividad general sigue siendo el marco para la comprensión de la gravedad. [43] Los físicos continúan trabajando para encontrar soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein que forman la base de la relatividad general y continúan probando la teoría, encontrando una excelente concordancia en todos los casos. [44] [45] [37] : pág.9
Una ilustración de la métrica de Schwarzschild , que describe el espacio-tiempo alrededor de un objeto con masa esférico, sin carga y no giratorio.
Un área importante de investigación es el descubrimiento de soluciones exactas a las ecuaciones de campo de Einstein. Resolver estas ecuaciones equivale a calcular un valor preciso para el tensor métrico (que define la curvatura y la geometría del espacio-tiempo) bajo ciertas condiciones físicas. No existe una definición formal de lo que constituyen tales soluciones, pero la mayoría de los científicos coinciden en que deberían poder expresarse utilizando funciones elementales o ecuaciones diferenciales lineales . [48] Algunas de las soluciones más notables de las ecuaciones incluyen:
La solución de Schwarzschild , que describe el espacio-tiempo que rodea a un objeto masivo esféricamente simétrico, no giratorio y sin carga. Para objetos suficientemente compactos, esta solución generó un agujero negro con una singularidad central . [49] En puntos alejados de la masa central, las aceleraciones predichas por la solución de Schwarzschild son prácticamente idénticas a las predichas por la teoría de la gravedad de Newton. [50]
La solución de Reissner-Nordström , que analiza un objeto esféricamente simétrico y no giratorio con carga y fue descubierta de forma independiente por varios investigadores diferentes entre 1916 y 1921. [51] En algunos casos, esta solución puede predecir la existencia de agujeros negros con horizontes de sucesos dobles . [52]
La solución de Kerr , que generaliza la solución de Schwarzchild a objetos masivos en rotación. Debido a la dificultad de factorizar los efectos de la rotación en las ecuaciones de campo de Einstein, esta solución no se descubrió hasta 1963. [53]
La solución de Kerr-Newman para objetos masivos cargados y en rotación. Esta solución se derivó en 1964, utilizando la misma técnica de transformación de coordenadas complejas que se utilizó para la solución de Kerr. [54]
La solución cosmológica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker , descubierta en 1922 por Alexander Friedmann y luego confirmada en 1927 por Georges Lemaître . Esta solución fue revolucionaria para predecir la expansión del Universo , lo que fue confirmado siete años después tras una serie de mediciones realizadas por Edwin Hubble . [55] Incluso demostró que la relatividad general era incompatible con un universo estático , y Einstein admitió más tarde que se había equivocado al diseñar sus ecuaciones de campo para dar cuenta de un Universo que no se estaba expandiendo. [56]
Hoy en día, quedan muchas situaciones importantes en las que las ecuaciones de campo de Einstein no se han resuelto. El principal de ellos es el problema de los dos cuerpos , que se refiere a la geometría del espacio-tiempo alrededor de dos objetos masivos que interactúan entre sí, como el Sol y la Tierra, o las dos estrellas en un sistema estelar binario . La situación se complica aún más cuando se consideran las interacciones de tres o más cuerpos masivos (el " problema de los n cuerpos"), y algunos científicos sospechan que las ecuaciones de campo de Einstein nunca se resolverán en este contexto. [57] Sin embargo, todavía es posible construir una solución aproximada a las ecuaciones de campo en el problema de n -cuerpos utilizando la técnica de expansión post-Newtoniana . [58] En general, la extrema no linealidad de las ecuaciones de campo de Einstein hace que sea difícil resolverlas en todos los casos excepto en los más específicos. [59]
Gravedad y mecánica cuántica.
A pesar de su éxito en la predicción de los efectos de la gravedad a gran escala, la relatividad general es, en última instancia, incompatible con la mecánica cuántica . Esto se debe a que la relatividad general describe la gravedad como una distorsión suave y continua del espacio-tiempo, mientras que la mecánica cuántica sostiene que todas las fuerzas surgen del intercambio de partículas discretas conocidas como cuantos . Esta contradicción es especialmente irritante para los físicos porque las otras tres fuerzas fundamentales (fuerza fuerte, fuerza débil y electromagnetismo) se reconciliaron con un marco cuántico hace décadas. [60] Como resultado, los investigadores modernos han comenzado a buscar una teoría que pueda unir tanto la gravedad como la mecánica cuántica bajo un marco más general. [61]
Históricamente, probar las predicciones de la relatividad general ha sido difícil, porque son casi idénticas a las predicciones de la gravedad newtoniana para energías y masas pequeñas. [65] Aún así, desde su desarrollo, una serie continua de resultados experimentales han brindado apoyo a la teoría: [65]
El eclipse solar total de 1919 brindó una de las primeras oportunidades para probar las predicciones de la relatividad general.
En 1919, el astrofísico británico Arthur Eddington pudo confirmar la lente gravitacional de la luz prevista durante el eclipse solar de ese año . [66] [67] Eddington midió las desviaciones de la luz de las estrellas dos veces las predichas por la teoría corpuscular newtoniana, de acuerdo con las predicciones de la relatividad general. Aunque el análisis de Eddington fue cuestionado más tarde, este experimento hizo famoso a Einstein casi de la noche a la mañana y provocó que la relatividad general fuera ampliamente aceptada en la comunidad científica. [68]
En 1959, los físicos estadounidenses Robert Pound y Glen Rebka realizaron un experimento en el que utilizaron rayos gamma para confirmar la predicción de la dilatación del tiempo gravitacional . Al enviar los rayos hacia abajo por una torre de 74 pies y medir su frecuencia en la parte inferior, los científicos confirmaron que la luz se desplaza hacia el rojo a medida que se mueve hacia una fuente de gravedad. El corrimiento al rojo observado también apoyó la idea de que el tiempo corre más lentamente en presencia de un campo gravitacional. [69]
El retraso de la luz al pasar cerca de un objeto masivo fue identificado por primera vez por Irwin I. Shapiro en 1964 en señales de naves espaciales interplanetarias. [70]
En 1971, los científicos descubrieron el primer agujero negro en la galaxia Cygnus . El agujero negro fue detectado porque emitía ráfagas de rayos X mientras consumía una estrella más pequeña, y llegó a ser conocido como Cygnus X-1 . [71] Este descubrimiento confirmó otra predicción más de la relatividad general, porque las ecuaciones de Einstein implicaban que la luz no podía escapar de un objeto suficientemente grande y compacto. [72]
La relatividad general afirma que la gravedad actúa sobre la luz y la materia por igual, lo que significa que un objeto suficientemente masivo podría deformar la luz a su alrededor y crear una lente gravitacional . Este fenómeno fue confirmado por primera vez mediante observación en 1979 utilizando el telescopio de 2,1 metros del Observatorio Nacional Kitt Peak en Arizona, que vio dos imágenes especulares del mismo cuásar cuya luz se había desviado alrededor de la galaxia YGKOW G1 . [73] [74]
El arrastre de cuadros , la idea de que un objeto masivo en rotación debería girar el espacio-tiempo a su alrededor, fue confirmado por los resultados de Gravity Probe B en 2011. [75] [76]
Un objeto inicialmente estacionario al que se le permite caer libremente bajo la gravedad cae una distancia que es proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido. Esta imagen dura medio segundo y fue capturada a 20 destellos por segundo.
Cada cuerpo planetario (incluida la Tierra) está rodeado por su propio campo gravitacional, que puede conceptualizarse en la física newtoniana como que ejerce una fuerza de atracción sobre todos los objetos. Suponiendo un planeta esféricamente simétrico, la intensidad de este campo en cualquier punto dado sobre la superficie es proporcional a la masa del cuerpo planetario e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde el centro del cuerpo.
Si un objeto con una masa comparable a la de la Tierra cayera hacia él, entonces se podría observar la correspondiente aceleración de la Tierra.
La fuerza del campo gravitacional es numéricamente igual a la aceleración de los objetos bajo su influencia. [78] La tasa de aceleración de los objetos que caen cerca de la superficie de la Tierra varía muy ligeramente dependiendo de la latitud, las características de la superficie como montañas y crestas, y quizás densidades del subsuelo inusualmente altas o bajas. [79] Para fines de pesos y medidas, un valor de gravedad estándar lo define la Oficina Internacional de Pesas y Medidas , bajo el Sistema Internacional de Unidades (SI).
La fuerza de gravedad en la Tierra es la resultante (suma vectorial) de dos fuerzas: [7] (a) la atracción gravitacional de acuerdo con la ley de gravitación universal de Newton, y (b) la fuerza centrífuga, que resulta de la elección de un marco de referencia giratorio terrestre. La fuerza de gravedad es más débil en el ecuador debido a la fuerza centrífuga causada por la rotación de la Tierra y porque los puntos del ecuador están más alejados del centro de la Tierra. La fuerza de gravedad varía con la latitud y aumenta desde aproximadamente 9,780 m/s 2 en el ecuador hasta aproximadamente 9,832 m/s 2 en los polos. [80] [81]
Radiación gravitacional
El Observatorio LIGO Hanford ubicado en Washington, Estados Unidos, donde se observaron por primera vez ondas gravitacionales en septiembre de 2015
La relatividad general predice que la energía puede transportarse fuera de un sistema mediante radiación gravitacional. La primera evidencia indirecta de radiación gravitacional se obtuvo a través de mediciones del binario Hulse-Taylor en 1973. Este sistema consta de un púlsar y una estrella de neutrones en órbita uno alrededor del otro. Su período orbital ha disminuido desde su descubrimiento inicial debido a una pérdida de energía, lo que es consistente con la cantidad de energía perdida debido a la radiación gravitacional. Esta investigación recibió el Premio Nobel de Física en 1993. [82]
La primera evidencia directa de radiación gravitacional fue medida el 14 de septiembre de 2015 por los detectores LIGO . Se midieron las ondas gravitacionales emitidas durante la colisión de dos agujeros negros a 1.300 millones de años luz de la Tierra. [83] [84] Esta observación confirma las predicciones teóricas de Einstein y otros de que tales ondas existen. También abre el camino para la observación práctica y la comprensión de la naturaleza de la gravedad y los acontecimientos en el Universo, incluido el Big Bang. [85] La formación de estrellas de neutrones y agujeros negros también crea cantidades detectables de radiación gravitacional. [86] Esta investigación recibió el Premio Nobel de Física en 2017. [87]
Velocidad de gravedad
En diciembre de 2012, un equipo de investigación en China anunció que había realizado mediciones del desfase de las mareas terrestres durante las lunas llenas y nuevas que parecen demostrar que la velocidad de la gravedad es igual a la velocidad de la luz. [88] Esto significa que si el Sol desapareciera repentinamente, la Tierra seguiría orbitando el punto vacío normalmente durante 8 minutos, que es el tiempo que tarda la luz en recorrer esa distancia. Los hallazgos del equipo se publicaron en Science Bulletin en febrero de 2013. [89]
En octubre de 2017, los detectores LIGO y Virgo recibieron señales de ondas gravitacionales dentro de los 2 segundos posteriores a que los satélites de rayos gamma y los telescopios ópticos vieran señales desde la misma dirección. Esto confirmó que la velocidad de las ondas gravitacionales era la misma que la velocidad de la luz. [90]
Anomalías y discrepancias.
Hay algunas observaciones que no se explican adecuadamente, lo que puede indicar la necesidad de mejores teorías de la gravedad o tal vez explicarse de otras maneras.
Curva de rotación de una galaxia espiral típica: predicha ( A ) y observada ( B ). La discrepancia entre las curvas se atribuye a la materia oscura .
Estrellas extrarrápidas : Las estrellas en las galaxias siguen una distribución de velocidades donde las estrellas en las afueras se mueven más rápido de lo que deberían según las distribuciones observadas de la materia normal. Las galaxias dentro de cúmulos de galaxias muestran un patrón similar. La materia oscura , que interactuaría mediante gravitación pero no electromagnéticamente, explicaría la discrepancia. También se han propuesto varias modificaciones a la dinámica newtoniana .
La teoría de la gravitación de Le Sage (1784), también llamada gravedad de LeSage, pero propuesta originalmente por Fatio y elaborada más adelante por Georges-Louis Le Sage , se basa en una explicación basada en fluidos en la que un gas ligero llena todo el Universo.
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