Historia de la teoría gravitacional .
En física, las teorías de la gravitación postulan mecanismos de interacción que rigen los movimientos de los cuerpos con masa. Ha habido numerosas teorías de la gravitación desde la antigüedad.
Antigüedad Editar
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Ver también: física aristotélica
En el siglo IV a. C., el filósofo griego Aristóteles creía que no hay efecto ni movimiento sin una causa. La causa del movimiento descendente de los cuerpos pesados, como el elemento tierra, se relacionó con su naturaleza, lo que provocó que se movieran hacia el centro del universo, que era su lugar natural. Por el contrario, los cuerpos de luz, como el elemento fuego, se mueven por su naturaleza hacia la superficie interna de la esfera de la Luna. Por lo tanto, en el sistema de Aristóteles, los cuerpos pesados no son atraídos a la tierra por una fuerza de gravedad externa, sino que tienden hacia el centro del universo debido a una gravedad interna o pesadez.
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En el Libro VII de su De Architectura , el ingeniero y arquitecto romano Vitruvio sostiene que la gravedad no depende del “peso” de una sustancia sino de su “naturaleza” (cf. gravedad específica).
Si el mercurio se vierte en un recipiente y se le pone una piedra que pesa cien libras, la piedra nada en la superficie y no puede presionar el líquido, ni romperlo ni separarlo. Si eliminamos las cien libras de peso y le ponemos un escrúpulo de oro, no nadará, sino que se hundirá por sí solo. Por lo tanto, es innegable que la gravedad de una sustancia no depende de la cantidad de su peso, sino de su naturaleza.
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Brahmagupta, el astrónomo y matemático indio cuyo trabajo influyó en las matemáticas árabes en el siglo IX, sostuvo que la Tierra era esférica y que atraía objetos. Al Hamdānī y Al Biruni citan a Brahmagupta diciendo “Sin tener en cuenta esto, decimos que la tierra en todos sus lados es la misma; todas las personas en la tierra se paran erguidas, y todas las cosas pesadas caen a la tierra por una ley de la naturaleza, por ello es la naturaleza de la tierra atraer y retener cosas, como la naturaleza del agua que fluye, la del fuego para quemar y la del viento para poner en movimiento. Si algo quiere ir más profundo que la tierra , déjalo intentar. La tierra es lo único bajo , y las semillas siempre vuelven a ella, en cualquier dirección en la que puedas tirarlas, y nunca se elevan hacia arriba desde la tierra “.
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Era moderna Editar
Durante el siglo XVII, Galileo descubrió que, en contra de las enseñanzas de Aristóteles, todos los objetos aceleraban por igual al caer.
A fines del siglo XVII, como resultado de la sugerencia de Robert Hooke de que existe una fuerza gravitacional que depende del cuadrado inverso de la distancia,
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Isaac Newton pudo derivar matemáticamente las tres leyes cinemáticas de Kepler del movimiento planetario, incluidas las órbitas elípticas de los seis planetas conocidos y la Luna:
“Deducí que las fuerzas que mantienen los planetas en sus orbes deben ser recíprocamente como los cuadrados de sus distancias de los centros sobre los que giran, y así comparé la fuerza necesaria para mantener la luna en su orbe con la fuerza de gravedad en el superficie de la tierra y encontré que respondían casi “.
– Isaac Newton, 1666
Entonces la fórmula original de Newton fue:
[matemáticas] {\ displaystyle {\ rm {Force \, of \, gravity}} \ propto {\ frac {\ rm {mass \, of \, object \, 1 \, \ times \, mass \, of \, objeto \, 2}} {\ rm {distancia \, desde \, centros ^ {2}}}}} [/ math]
donde el símbolo [math] {\ displaystyle \ propto} [/ math] significa “es proporcional a”.
Para convertir esto en una fórmula o ecuación de lados iguales, tenía que haber un factor multiplicador o constante que proporcionara la fuerza de gravedad correcta sin importar el valor de las masas o la distancia entre ellas. Esta constante gravitacional fue medida por primera vez en 1797 por Henry Cavendish.
En 1907, Albert Einstein, en lo que fue descrito por él como ” el pensamiento más feliz de mi vida “, se dio cuenta de que un observador que se cae del techo de una casa no experimenta un campo gravitacional. En otras palabras, la gravitación era exactamente equivalente a la aceleración. Entre 1911 y 1915, esta idea, inicialmente establecida como el principio de equivalencia, se desarrolló formalmente en la teoría de la relatividad general de Einstein.
La teoría de la gravitación de Newton
Artículo principal: Ley de la gravitación universal.
En 1687, el matemático inglés Sir Isaac Newton publicó Principia , que hipotetiza la ley del cuadrado inverso de la gravitación universal. En sus propias palabras, “deduje que las fuerzas que mantienen los planetas en sus orbes deben ser recíprocamente como los cuadrados de sus distancias desde los centros alrededor de los cuales giran; y así comparé la fuerza necesaria para mantener la Luna en su orbe con el fuerza de gravedad en la superficie de la Tierra; y encontré que respondían casi “.
La teoría de Newton disfrutó de su mayor éxito cuando se usó para predecir la existencia de Neptuno basándose en movimientos de Urano que no podían ser explicados por las acciones de los otros planetas. Los cálculos de John Couch Adams y Urbain Le Verrier predijeron la posición general del planeta, y los cálculos de Le Verrier son los que llevaron a Johann Gottfried Galle al descubrimiento de Neptuno.
Años más tarde, fue otra discrepancia en la órbita de un planeta lo que mostró que la teoría de Newton era inexacta. A fines del siglo XIX, se sabía que la órbita de Mercurio no podía explicarse por completo bajo la gravedad newtoniana, y todas las búsquedas de otro cuerpo perturbador (como un planeta que orbita el Sol incluso más cerca que Mercurio) no han dado resultado. Este problema fue resuelto en 1915 por la nueva teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que explicaba la discrepancia en la órbita de Mercurio.
Paul Dirac desarrolló la hipótesis de que la gravitación debería haber disminuido lenta y constantemente a lo largo de la historia del universo.
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Aunque la teoría de Newton ha sido reemplazada, la mayoría de los cálculos gravitacionales no relativistas modernos todavía la usan porque es mucho más fácil de trabajar y es lo suficientemente precisa para la mayoría de las aplicaciones.
Explicaciones mecánicas de la gravitación Editar
Artículo principal: Explicaciones mecánicas de la gravitación.
Las teorías mecánicas o explicaciones de la gravitación son intentos de explicar la ley de la gravedad mediante la ayuda de procesos mecánicos básicos, como los empujes, y sin el uso de ninguna acción a distancia. Estas teorías se desarrollaron desde el siglo XVI hasta el siglo XIX en relación con las teorías del éter.
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René Descartes (1644) y Christiaan Huygens (1690) usaron vórtices para explicar la gravitación. Robert Hooke (1671) y James Challis (1869) asumieron que cada cuerpo emite ondas que conducen a la atracción de otros cuerpos. Nicolas Fatio de Duillier (1690) y Georges-Louis Le Sage (1748) propusieron un modelo corpuscular, utilizando algún tipo de mecanismo de detección o sombreado. Más tarde, Hendrik Lorentz creó un modelo similar, que utilizaba radiación electromagnética en lugar de los corpúsculos. Isaac Newton (1675) y Bernhard Riemann (1853) argumentaron que las corrientes de éter transportan todos los cuerpos entre sí. Newton (1717) y Leonhard Euler (1760) propusieron un modelo, en el que el éter pierde densidad cerca de las masas, lo que lleva a una fuerza neta que se dirige a los cuerpos. Lord Kelvin (1871) propuso que cada cuerpo pulsara, lo que podría ser una explicación de la gravitación y las cargas eléctricas.
Sin embargo, esos modelos fueron derrocados porque la mayoría de ellos conducen a una cantidad inaceptable de arrastre, lo que no se observa. Otros modelos están violando la ley de conservación de energía y son incompatibles con la termodinámica moderna.
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Relatividad general Editar
Artículo principal: Introducción a la relatividad general.
En la relatividad general , los efectos de la gravitación se atribuyen a la curvatura del espacio-tiempo en lugar de a una fuerza. El punto de partida para la relatividad general es el principio de equivalencia, que iguala la caída libre con el movimiento inercial. El problema que esto crea es que los objetos en caída libre pueden acelerarse uno con respecto al otro. En la física newtoniana, tal aceleración no puede ocurrir a menos que al menos uno de los objetos sea operado por una fuerza (y por lo tanto no se mueva inercialmente).
Para hacer frente a esta dificultad, Einstein propuso que el espacio-tiempo está curvado por la materia, y que los objetos que caen libremente se mueven a lo largo de caminos rectos locales en el espacio-tiempo curvo. (Este tipo de ruta se llama geodésica). Más específicamente, Einstein y Hilbert descubrieron las ecuaciones de campo de la relatividad general, que relacionan la presencia de materia y la curvatura del espacio-tiempo y llevan el nombre de Einstein. Las ecuaciones de campo de Einstein son un conjunto de 10 ecuaciones diferenciales simultáneas, no lineales. Las soluciones de las ecuaciones de campo son los componentes del tensor métrico del espacio-tiempo. Un tensor métrico describe la geometría del espacio-tiempo. Las rutas geodésicas para un espacio-tiempo se calculan a partir del tensor métrico.
Las soluciones notables de las ecuaciones de campo de Einstein incluyen:
- La solución de Schwarzschild, que describe el espacio-tiempo que rodea un objeto masivo no rotativo esférico simétrico sin carga. Para objetos suficientemente compactos, esta solución generó un agujero negro con una singularidad central. Para distancias radiales desde el centro que son mucho mayores que el radio de Schwarzschild, las aceleraciones predichas por la solución de Schwarzschild son prácticamente idénticas a las predichas por la teoría de la gravedad de Newton.
- La solución Reissner – Nordström, en la que el objeto central tiene una carga eléctrica. Para cargas con una longitud geometrizada que es menor que la longitud geometrizada de la masa del objeto, esta solución produce agujeros negros con un horizonte de eventos que rodea un horizonte de Cauchy.
- La solución de Kerr para rotar objetos masivos. Esta solución también produce agujeros negros con múltiples horizontes.
- La solución cosmológica Robertson-Walker, que predice la expansión del universo.
La relatividad general ha tenido mucho éxito debido a la forma en que se han confirmado regularmente sus predicciones de fenómenos que no son requeridos por la antigua teoría de la gravedad. Por ejemplo:
- La relatividad general explica la precesión anómala del perihelio del planeta Mercurio.
- La predicción de que el tiempo corre más lento a potenciales más bajos ha sido confirmada por el experimento Pound-Rebka, el experimento Hafele-Keating y el GPS.
- La predicción de la desviación de la luz fue confirmada por primera vez por Arthur Eddington en 1919, y más recientemente se ha confirmado fuertemente mediante el uso de un cuásar que pasa detrás del Sol visto desde la Tierra. Ver también lentes gravitacionales.
- El retraso de tiempo de la luz que pasa cerca de un objeto masivo fue identificado por primera vez por Irwin Shapiro en 1964 en señales de naves espaciales interplanetarias.
- La radiación gravitacional se ha confirmado indirectamente a través de estudios de púlsares binarios. En 2016, los experimentos de LIGO detectaron directamente la radiación gravitacional de dos agujeros negros en colisión, lo que la convirtió en la primera observación directa tanto de la radiación gravitacional como de los agujeros negros.
- La expansión del universo (predicha por la métrica Robertson-Walker) fue confirmada por Edwin Hubble en 1929.
Gravedad y mecánica cuántica Editar
Artículos principales: Gravitón y gravedad cuántica.
Varias décadas después del descubrimiento de la relatividad general, se dio cuenta de que no puede ser la teoría completa de la gravedad porque es incompatible con la mecánica cuántica.
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Más tarde se entendió que es posible describir la gravedad en el marco de la teoría del campo cuántico como las otras fuerzas fundamentales. En este marco, la fuerza de gravedad atractiva surge debido al intercambio de gravitones virtuales, de la misma manera que la fuerza electromagnética surge del intercambio de fotones virtuales.
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Esto reproduce la relatividad general en el límite clásico. Sin embargo, este enfoque falla a distancias cortas del orden de la longitud de Planck.
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Es notable que, en general, la relatividad, la radiación gravitacional, que bajo las reglas de la mecánica cuántica debe estar compuesta de gravitones, se crea solo en situaciones en las que la curvatura del espacio-tiempo es oscilante, como es el caso de los objetos en órbita. La cantidad de radiación gravitacional emitida por el sistema solar es demasiado pequeña para medirla.
Sin embargo, la radiación gravitacional se ha observado de forma indirecta, como una pérdida de energía con el tiempo en sistemas de púlsar binarios como PSR 1913 + 16, y directamente por el observatorio de ondas gravitacionales LIGO, cuya primera detección (denominada GW150914) ocurrió el 14 de septiembre de 2015
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y predicciones teóricas coincidentes de señales debido a la espiral interna y la fusión de un par de agujeros negros. Se cree que las fusiones de estrellas de neutrones y la formación de agujeros negros también pueden crear cantidades detectables de radiación gravitacional
