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Newton pensó que solo los objetos con masa podrían producir una fuerza gravitacional entre sí. Según la teoría de Newton, la fuerza de la gravedad no debería afectar a la luz. Einstein descubrió que la situación es un poco más complicada que eso.
Primero descubrió que la gravedad es producida por un espacio-tiempo curvo. Entonces Einstein teorizó que la masa de un objeto realmente curva el espacio-tiempo. La masa está vinculada al espacio de una manera que los físicos de hoy todavía no entienden completamente. Sin embargo, sabemos que cuanto más fuerte es el campo gravitacional de un objeto, más deformado está el espacio alrededor del objeto. En otras palabras, las líneas rectas ya no son rectas si se exponen a un campo gravitacional fuerte; en cambio, son curvas.
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Dado que la luz normalmente viaja en un camino en línea recta, la luz sigue un camino curvo si pasa a través de un campo gravitacional fuerte. Esto es lo que se entiende por “espacio curvo”, y es por eso que la luz queda atrapada en un agujero negro. En 1919, un equipo dirigido por Sir Arthur Eddington demostró la teoría de Einstein cuando observaron la inclinación de la luz de las estrellas cuando viajaba cerca del Sol. Esta fue la primera predicción exitosa de la Teoría general de la relatividad de Einstein.
Una forma de imaginar este efecto de la gravedad es imaginar una lámina de caucho estirada. Imagina que pones una bola pesada en el centro de la sábana. El peso de la pelota doblará la superficie de la hoja cerca de ella. Esta es una imagen bidimensional de lo que la gravedad hace al espacio-tiempo en cuatro dimensiones. Ahora tome un poco de mármol y envíelo rodando de un lado de la lámina de goma al otro. En lugar de que la canica tome un camino recto hacia el otro lado de la hoja, seguirá el contorno de la hoja que está curvado por el peso de la pelota en el centro. Esto es similar a cómo el campo de gravitación creado por un objeto (la bola) afecta la luz (la canica).
Cuando piensas en cómo la gravedad afecta la luz, realmente necesitas pensar en términos de relatividad general, que describe la gravedad como el efecto de un espacio-tiempo curvo sobre las partículas en movimiento. Resumido por John Wheeler, la masa le dice al espacio cómo curvarse y el espacio-tiempo le dice a la masa cómo moverse.
Cuando aplicamos esto a la luz, comenzamos con el hecho de que la luz viaja en líneas rectas (geodésicas nulas). Sin embargo, cuando tenemos una gran masa (digamos el Sol), curva el espacio a su alrededor, por lo que nuestro rayo de luz seguirá una línea recta en este espacio-tiempo curvo. Este camino nos parecerá inclinado y conduce a los fenómenos de la lente gravitacional.
Por otro lado, esto también responde fácilmente a la pregunta de por qué todas las masas caen a la misma velocidad (o la masa gravitacional es igual a la masa inercial). Las partículas masivas también siguen la geodésica (líneas rectas) en este espacio-tiempo curvo, por lo que si arrojo dos objetos de diferentes masas con la misma velocidad inicial, seguirán la misma geodésica a través del espacio-tiempo, y vemos que ambos objetos tienen el misma aceleración
La fuente de gravedad en la relatividad general es un objeto llamado tensor de tensión-energía, que incluye densidad de energía, densidad de momento, flujo de energía, flujo de momento (que incluye tensión de corte y presión), etc. Obviamente, la luz tiene energía, por lo que actúa gravitacionalmente. en GR. Como E = mc ^ 2 vemos que la masa aporta una enorme cantidad de energía, por lo que los objetos masivos tienen campos gravitacionales muy fuertes, por lo que los otros términos son insignificantes, por lo que la ley de Newton funciona tan bien. Sin embargo, están allí, por lo que la luz tiene un campo gravitacional, a pesar de que tiene una masa cero.
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