Gravedad

Atracción de masas y energía

Las formas de dos galaxias masivas en la fotografía están distorsionadas debido a la gravedad.

En física, la gravedad (del latín gravitas  'peso' ^[1] ) es una interacción fundamental observada 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 una 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 .

En la Tierra , la gravedad otorga peso a los objetos físicos y la gravedad de la Luna es responsable de las mareas sublunares en los océanos. La marea antípoda correspondiente es causada por la inercia de la Tierra y la Luna al orbitar una alrededor de la otra. La gravedad también tiene muchas funciones biológicas importantes, ayudando a guiar el crecimiento de las plantas a través del proceso de gravitropismo e influyendo en la circulación de fluidos en los organismos multicelulares .

La atracción gravitatoria entre la materia gaseosa original del universo hizo que se fusionara y formara estrellas que finalmente 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 que nada, ni siquiera la luz, puede escapar una vez que pasa 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 al cuadrado de la distancia entre ellos.

Los modelos actuales de física de partículas implican que la primera instancia de gravedad en el universo, posiblemente en forma de gravedad cuántica , supergravedad o una singularidad gravitacional , junto con el espacio y el tiempo ordinarios , se desarrolló durante la época de Planck (hasta 10 ⁻⁴³ segundos después del nacimiento del universo), posiblemente a partir de un estado primigenio, como un falso vacío , vacío cuántico o partícula virtual , de una manera actualmente desconocida. ^[4] Los científicos están trabajando actualmente para desarrollar una teoría de la gravedad consistente con la mecánica cuántica , una teoría de la gravedad cuántica, ^[5] que permitiría unir la gravedad en un marco matemático común (una teoría del todo ) con las otras tres interacciones fundamentales de la física.

Definiciones

La gravitación , también conocida como atracción gravitatoria, es la atracción mutua entre todas las masas del universo. La gravedad es la atracción gravitatoria 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 (véase § 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 pensaba que la velocidad de un objeto que cae debería aumentar con su peso, una conclusión que más tarde se demostró que era falsa. ^[8] Si bien la visión 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 después, el ingeniero y arquitecto romano Vitruvio sostuvo en su De architectura 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 Filópono 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 causal que disminuye con el tiempo. ^[13]

En el año 628 d. C., el matemático y astrónomo indio Brahmagupta propuso la idea de que la gravedad es una fuerza atractiva 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 intensos debates. El intelectual persa Al-Biruni creía que la fuerza de la gravedad no era exclusiva de la Tierra y supuso correctamente que otros cuerpos celestes también deberían ejercer una atracción gravitatoria. ^[17] En cambio, Al-Khazini sostenía la misma postura que Aristóteles de que toda la materia del 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 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 que afirmaban que, debido a la gravedad específica , los 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 a la misma velocidad cuando se dejaban caer desde una torre. ^[21] A finales del siglo XVI, las cuidadosas mediciones de Galileo Galilei de bolas rodando por pendientes 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 área superficial caen más lentamente en una atmósfera.

En 1604, Galileo planteó correctamente la hipótesis de que la distancia recorrida por un objeto que cae es proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido. ^[23] Esto fue confirmado posteriormente 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 planteó 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 mayor para los cuerpos más cercanos. En una comunicación a la Royal Society en 1666, Hooke escribió ^[26]

Explicaré un sistema del mundo muy diferente de todos los que se han conocido hasta ahora. Se basa 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 sean desviados continuamente de ella por alguna fuerza extraña, lo que les hará 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 estas fuerzas disminuyen con el aumento de la distancia, confieso que no lo he descubierto.

La conferencia Gresham de Hooke de 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 de Kepler sobre el movimiento planetario . ^[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 iguales a los cuadrados de sus distancias a los centros alrededor de los cuales giran". Esta afirmación se condensó más tarde en la siguiente ley del cuadrado inverso:

$${\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}},}$$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 gravitacional 6,674 × 10 ⁻¹¹  m ³ ⋅kg ⁻¹ ⋅s ⁻² . ^[29]

Los Principia de Newton fueron bien recibidos por la comunidad científica, y su ley de la gravitación se extendió rápidamente por todo el mundo europeo. ^[30] Más de un siglo después, en 1821, su teoría de la gravitación alcanzó una prominencia aún mayor cuando se utilizó para predecir la existencia de Neptuno . En ese año, el astrónomo francés Alexis Bouvard utilizó esta teoría para crear una tabla que modelaba la órbita de Urano , que se demostró que difería 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 estaba 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 observaron una excentricidad en la órbita del planeta Mercurio que no podía explicarse con la teoría de Newton: el perihelio de la órbita aumentaba a un ritmo de unos 42,98 segundos de arco por siglo. La explicación más obvia para esta discrepancia era un cuerpo celeste aún no descubierto, como un planeta que orbitara alrededor del Sol incluso más cerca que Mercurio, pero todos los esfuerzos por encontrar un cuerpo así resultaron infructuosos. En 1915, Albert Einstein desarrolló una teoría de la relatividad general que fue capaz de 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. Estas trayectorias rectas se denominan geodésicas . Al igual que en la primera ley del movimiento de Newton, Einstein creía que una fuerza aplicada a un objeto haría que este se desviara de una geodésica. Por ejemplo, las personas que se encuentran de pie sobre la superficie de la Tierra no pueden seguir una trayectoria geodésica porque la resistencia mecánica de la Tierra ejerce una fuerza ascendente sobre ellas. Esto explica por qué el movimiento a lo largo de las geodésicas en el espacio-tiempo se considera inercial.

La descripción de la gravedad de Einstein fue rápidamente aceptada por la mayoría de los físicos, ya que era capaz de 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] : p.79  [42]}

Investigación moderna

En la física moderna , la relatividad general sigue siendo el marco para la comprensión de la gravedad. ^[43] Los físicos siguen trabajando para encontrar soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein que forman la base de la relatividad general y continúan poniendo a prueba la teoría, encontrando un excelente acuerdo en todos los casos. ^{[44] [45] [37] : p.9}

Ecuaciones de campo de Einstein

Las ecuaciones de campo de Einstein son un sistema de 10 ecuaciones diferenciales parciales que describen cómo la materia afecta la curvatura del espacio-tiempo. El sistema se expresa a menudo en la forma donde G _μν es el tensor de Einstein , g _μν es el tensor métrico , T _μν es el tensor de tensión-energía , Λ es la constante cosmológica , es la constante de gravitación newtoniana y es la velocidad de la luz . ^[46] La constante se conoce como la constante gravitacional de Einstein. ^[47] $${\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }=\kappa T_{\mu \nu },}$$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle \kappa ={\frac {8\pi G}{c^{4}}}}$

Una ilustración de la métrica de Schwarzschild , que describe el espacio-tiempo alrededor de un objeto esférico, sin carga y no giratorio con masa.

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 constituye tales soluciones, pero la mayoría de los científicos coinciden en que deberían poder expresarse mediante 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 no cargado, no rotatorio y simétrico de forma esférica . 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 esférico simétrico no giratorio con carga y fue descubierta independientemente por varios investigadores diferentes entre 1916 y 1921. ^[51] En algunos casos, esta solución puede predecir la existencia de agujeros negros con horizontes de eventos dobles . ^[52]
• La solución de Kerr , que generaliza la solución de Schwarzchild a objetos masivos en rotación. Debido a la dificultad de tener en cuenta los efectos de la rotación en las ecuaciones de campo de Einstein, esta solución no se descubrió hasta 1963. ^[53]
• Solución de Kerr-Newman para objetos masivos rotatorios y cargados. 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 confirmada en 1927 por Georges Lemaître , fue revolucionaria para predecir la expansión del Universo , que fue confirmada siete años después tras una serie de mediciones de 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]

En la actualidad, quedan muchas situaciones importantes en las que las ecuaciones de campo de Einstein no han sido resueltas. La principal de ellas es el problema de los dos cuerpos , que concierne a la geometría del espacio-tiempo alrededor de dos objetos masivos que interactúan mutuamente, como el Sol y la Tierra, o las dos estrellas en un sistema estelar binario . La situación se vuelve aún más complicada 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 serán resueltas en este contexto. ^[57] Sin embargo, todavía es posible construir una solución aproximada a las ecuaciones de campo en el problema de los n cuerpos utilizando la técnica de expansión post-newtoniana . ^[58] En general, la no linealidad extrema 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 pudiera unir tanto la gravedad como la mecánica cuántica bajo un marco más general. ^[61]

Un camino es describir la gravedad en el marco de la teoría cuántica de campos , que ha tenido éxito en describir con precisión las otras interacciones fundamentales . La fuerza electromagnética surge de un intercambio de fotones virtuales , donde la descripción de la gravedad mediante la teoría cuántica de campos es que hay un intercambio de gravitones virtuales . ^{[62] [63]} Esta descripción reproduce la relatividad general en el límite clásico . Sin embargo, este enfoque falla en distancias cortas del orden de la longitud de Planck , ^[64] donde se requiere una teoría más completa de la gravedad cuántica (o un nuevo enfoque de la mecánica cuántica).

Pruebas de la relatividad general

Probar las predicciones de la relatividad general ha sido históricamente 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 proporcionado apoyo a la teoría: ^[65]

El eclipse solar total de 1919 proporcionó una de las primeras oportunidades de probar las predicciones de la relatividad general.

• En 1919, el astrofísico británico Arthur Eddington pudo confirmar la predicción del efecto de lente gravitacional de la luz durante el eclipse solar de ese año . ^{[66] [67]} Eddington midió desviaciones de la luz de las estrellas que eran el doble de las predichas por la teoría corpuscular de Newton, de acuerdo con las predicciones de la relatividad general. Aunque el análisis de Eddington fue posteriormente cuestionado, 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 a través de una torre de 74 pies y medir su frecuencia en la base, los científicos confirmaron que la luz se desplaza hacia el rojo a medida que se mueve hacia una fuente de gravedad. El desplazamiento hacia el rojo observado también respaldó la idea de que el tiempo transcurre más lentamente en presencia de un campo gravitacional. ^[69]
• El retraso temporal 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 de la historia en la galaxia Cygnus . El agujero negro fue detectado porque emitía ráfagas de rayos X al consumir una estrella más pequeña, y llegó a conocerse como Cygnus X-1 . ^[71] Este descubrimiento confirmó otra predicción de la relatividad general, porque las ecuaciones de Einstein implicaban que la luz no podía escapar de un objeto lo 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 lo suficientemente masivo podría deformar la luz a su alrededor y crear una lente gravitacional . Este fenómeno fue confirmado por primera vez mediante una 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 marcos , la idea de que un objeto masivo giratorio debería torcer el espacio-tiempo a su alrededor, fue confirmada por los resultados de Gravity Probe B en 2011. ^{[75] [76]}
• En 2015, el observatorio LIGO detectó ondas gravitacionales débiles , cuya existencia había sido predicha por la relatividad general. Los científicos creen que las ondas emanaron de una fusión de agujeros negros que ocurrió a 1.500 millones de años luz de distancia. ^[77]

Detalles específicos

La gravedad de la Tierra

Un objeto que inicialmente estaba en reposo y que se deja caer libremente por gravedad desciende una distancia proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido. Esta imagen abarca medio segundo y fue captada a 20 destellos por segundo.

Cada cuerpo planetario (incluida la Tierra) está rodeado por su propio campo gravitatorio, que, según la física newtoniana, ejerce una fuerza de atracción sobre todos los objetos. Suponiendo que el planeta tiene simetría esférica, 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 ella, entonces se observaría la aceleración correspondiente 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 subterráneas inusualmente altas o bajas. ^[79] Para propósitos de pesos y medidas, un valor de gravedad estándar es definido por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas , bajo el Sistema Internacional de Unidades (SI).

La fuerza de gravedad sobre la Tierra es la resultante (suma vectorial) de dos fuerzas: ^[7] (a) la atracción gravitatoria 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 terrestre y giratorio. 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/s2 ^en el ecuador hasta aproximadamente 9,832 m/s2 ^en los polos. ^{[80] [81]}

Radiación gravitacional

El Observatorio LIGO Hanford, ubicado en Washington, Estados Unidos, donde se observaron ondas gravitacionales por primera vez en septiembre de 2015

La relatividad general predice que la energía puede ser transportada fuera de un sistema a través de la radiación gravitatoria. La primera evidencia indirecta de la radiación gravitatoria fue a través de mediciones del binario Hulse-Taylor en 1973. Este sistema consiste en 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 cual es consistente con la cantidad de pérdida de energía debido a la radiación gravitatoria. Esta investigación fue galardonada con el Premio Nobel de Física en 1993. ^[82]

El 14 de septiembre de 2015, los detectores LIGO midieron la primera evidencia directa de la radiación gravitacional . 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 eventos 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 la gravedad

En diciembre de 2012, un equipo de investigación de 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 de repente, la Tierra seguiría orbitando el punto vacío con normalidad 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 en un lapso de 2 segundos después de que los satélites de rayos gamma y los telescopios ópticos detectaran señales provenientes de 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 y que pueden 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 en la que las estrellas de las afueras se mueven más rápido de lo que deberían según las distribuciones observadas de materia normal. Las galaxias dentro de los cúmulos de galaxias muestran un patrón similar. La materia oscura , que interactuaría a través de la gravedad pero no de forma electromagnética, explicaría la discrepancia. También se han propuesto varias modificaciones a la dinámica newtoniana .
• Expansión acelerada : La expansión del universo parece estar acelerándose. ^[91] Se ha propuesto la energía oscura para explicar esto. ^[92]
• Anomalía de sobrevuelo : Varias naves espaciales han experimentado una aceleración mayor de la esperada durante las maniobras de asistencia gravitatoria . ^[93] Se ha demostrado que la anomalía de Pioneer se explica por el retroceso térmico debido a la radiación solar distante en un lado de la nave espacial. ^{[94] [95]}

Teorías alternativas

Teorías alternativas históricas

• Teoría aristotélica de la gravedad
• La teoría de la gravitación de Le Sage (1784), también llamada gravedad de Le Sage, pero propuesta originalmente por Fatio y desarrollada posteriormente por Georges-Louis Le Sage , se basa en una explicación basada en fluidos donde un gas ligero llena todo el Universo.
• Teoría de la gravitación de Ritz , Ann. Chem. Phys. 13, 145, (1908) págs. 267–271, Electrodinámica de Weber-Gauss aplicada a la gravitación. Avance clásico del perihelio.
• Teoría de la gravitación de Nordström (1912, 1913), un competidor temprano de la relatividad general.
• Teoría de Kaluza-Klein (1921)
• La teoría de la gravitación de Whitehead (1922), otro competidor temprano de la relatividad general.

Teorías alternativas modernas

• Teoría de la gravedad de Brans-Dicke (1961) ^[96]
• Gravedad inducida (1967), propuesta de Andrei Sakharov según la cual la relatividad general podría surgir de las teorías cuánticas de campos de la materia.
• Teoría de cuerdas (finales de la década de 1960)
• Gravedad ƒ(R) (1970)
• Teoría de Horndeski (1974) ^[97]
• Supergravedad (1976)
• En la dinámica newtoniana modificada (MOND) (1981), Mordehai Milgrom propone una modificación de la segunda ley de movimiento de Newton para pequeñas aceleraciones ^[98]
• La teoría de la cosmología de autocreación de la gravedad (1982) de GA Barber en la que se modifica la teoría de Brans-Dicke para permitir la creación de masa
• Gravedad cuántica de bucles (1988) de Carlo Rovelli , Lee Smolin y Abhay Ashtekar
• Teoría gravitacional no simétrica (NGT) (1994) de John Moffat
• Gravedad tensorial-vectorial-escalar (TeVeS) (2004), una modificación relativista de MOND de Jacob Bekenstein
• Teoría del camaleón (2004) de Justin Khoury y Amanda Weltman .
• Teoría del presurón (2013) de Olivier Minazzoli y Aurélien Hees.
• Gravedad conforme ^[99]
• La gravedad como fuerza entrópica , la gravedad surge como un fenómeno emergente del concepto termodinámico de entropía.
• En la teoría del vacío superfluido, la gravedad y el espacio-tiempo curvado surgen como un modo de excitación colectiva del superfluido de fondo no relativista .
• Gravedad masiva , una teoría en la que los gravitones y las ondas gravitacionales tienen una masa distinta de cero.

Véase también

• Antigravedad  : idea de crear un lugar u objeto que esté libre de la fuerza de la gravedad.
• Gravedad artificial  : uso de fuerza rotacional circular para imitar la gravedad
• Ecuaciones para un cuerpo en caída libre  – Descripción matemática de un cuerpo en caída libre
• Velocidad de escape  : concepto de mecánica celeste
• Escape atmosférico  : pérdida de gases atmosféricos planetarios hacia el espacio exterior
• Ley de la gravedad de Gauss  – Reformulación de la ley de gravitación universal de Newton
• Potencial gravitacional  – Estudio fundamental de la teoría del potencial
• Biología gravitacional  : estudio de los efectos que tiene la gravedad sobre los organismos vivos.Pages displaying wikidata descriptions as a fallback
• Leyes del movimiento de Newton  – Leyes de la física sobre fuerza y ​​movimiento
• Parámetro gravitacional estándar  : concepto de mecánica celeste
• Ingravidez  : peso aparente cero, microgravedad

Referencias

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2. Krebs, Robert E. (1999). Desarrollo científico y conceptos erróneos a través de los tiempos: una guía de referencia (edición ilustrada). Greenwood Publishing Group. pág. 133. ISBN 978-0-313-30226-8.
3. "HubbleSite: Agujeros negros: la atracción implacable de la gravedad". hubblesite.org . Archivado desde el original el 26 de diciembre de 2018 . Consultado el 7 de octubre de 2016 .
4. Staff. «El nacimiento del universo». Universidad de Oregón . Archivado desde el original el 28 de noviembre de 2018. Consultado el 24 de septiembre de 2016 .– analiza el " tiempo de Planck " y la " era de Planck " en el comienzo mismo del Universo
5. Overbye, Dennis (10 de octubre de 2022). «Los agujeros negros pueden ocultar un secreto alucinante sobre nuestro universo: tomemos la gravedad, añadamos mecánica cuántica y revolvamos. ¿Qué obtenemos? Tal vez, un cosmos holográfico». The New York Times . Archivado desde el original el 16 de noviembre de 2022. Consultado el 10 de octubre de 2022 .
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• Thorne, Kip S .; Misner, Charles W.; Wheeler, John Archibald (1973). Gravitación . WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0344-0.
• Panek, Richard (2 de agosto de 2019). “Todo lo que creías saber sobre la gravedad es erróneo”. The Washington Post .

Enlaces externos

• Las conferencias de física de Feynman, vol. I, cap. 7: La teoría de la gravitación
• "Gravitación", Enciclopedia de Matemáticas , EMS Press , 2001 [1994]
• "Gravitación, teoría de la", Enciclopedia de Matemáticas , EMS Press , 2001 [1994]