La gravedad permite la caída de manzanas, nuestro ciclo día / noche, luz estelar curvada, nuestros planetas y estrellas, e incluso viajes en el tiempo …
Comprender la gravedad: deformaciones y ondas en el espacio y el tiempo
ESENCIALES
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- Isaac Newton describió los efectos de la gravedad, pero no propuso un mecanismo para su funcionamiento.
- Albert Einstein propuso que los objetos masivos deforman y curvan el universo, lo que resulta en otros objetos que se mueven u orbitan a lo largo de esas curvas, y que esto es lo que experimentamos como gravedad
- Esta teoría, la relatividad general, ha dado lugar a una serie de predicciones que han resistido las pruebas experimentales.
- Una predicción de esta teoría es que las ‘ondas gravitacionales’ se extienden por el universo, pero Einstein pensó que serían demasiado pequeñas para detectarlas.
- En febrero de 2016 se anunció la medición directa de ondas gravitacionales. Esto nos proporciona un nuevo método para explorar el universo.
- En su forma actual, la relatividad general es incompatible con la mecánica cuántica, lo que indica que un cambio en nuestra comprensión puede estar en el horizonte
Tómese un momento para observar los efectos de la gravedad. Levante el brazo y sienta cómo se ve obligado a soltarlo nuevamente. La gravedad siempre está ahí: es estable, es permanente, no cambia. ¿O es eso?
Durante cientos de años hemos podido predecir los efectos de la gravedad. Pero no teníamos idea de cómo funcionaba hasta que Einstein intervino, pintando una imagen extraña y poco intuitiva. Desde el punto de vista de Einstein, la gravedad está lejos de ser una fuerza estática e inmutable: es una parte fundamental de la estructura del universo, que se curva, gira y ondula a medida que los objetos se mueven, giran y se mueven.
Las predicciones de las teorías de Einstein han sido validadas una y otra vez. Y ahora, 100 años después de la formulación de su teoría de la gravedad, otra de sus predicciones, las ondas gravitacionales, se ha medido directamente, a pesar de la creencia de Einstein de que nunca podríamos hacer esto.
En este tema exploraremos la visión dinámica de la gravedad de Einstein, incluido el fenómeno medido recientemente de las ondas gravitacionales. Si no estás familiarizado con la relatividad, algunos de estos conceptos pueden aturdir tu mente. Si es así, lo alentamos a seguir avanzando, ya que es uno de los mejores viajes en la historia de la ciencia.
Comencemos por ver por qué las leyes de Newton no proporcionaron una imagen completa de la gravedad.
Isaac Newton (1642-1726) y Albert Einstein (1879-1955) fueron fundamentales para avanzar en nuestra comprensión de la gravedad. Fuente de la imagen: Wikimedia Commons (Newton / Einstein).
Newton y las leyes de la gravedad
Newton publicó una de las obras de ciencia más célebres, los Principia , en 1687. En ella, describió que la fuerza que atrae a los objetos hacia el suelo es la misma fuerza que subyace al movimiento de los planetas y las estrellas.
Para llegar a esta conclusión, Newton imaginó tomar un objeto lejos de la superficie de la Tierra y lanzarlo. Si lo lanzas con muy poco impulso, caerá hacia la Tierra, capturado por la gravedad como si fuéramos nosotros mismos. Si lo lanzas con demasiado impulso, se alejará rápidamente del planeta, comenzando su viaje hacia los confines del espacio. Pero con exactamente el impulso correcto, puedes lanzarlo para que caiga continuamente alrededor de la Tierra, una y otra vez en un eterno tira y afloja. El objeto intenta continuar en el camino que lo arrojó, pero la gravedad sigue empujándolo hacia atrás. Con el equilibrio correcto, el objeto ahora está en órbita alrededor de la Tierra, al igual que la luna, o como la Tierra alrededor del sol.
Newton se dio cuenta de que la gravedad era responsable de los objetos que caían al suelo y de la órbita de los objetos celestes.
Newton formuló esta idea de una ecuación matemática, conocida hoy como la ley de la gravitación universal. Cuando se combina con el conocimiento de la geometría y las otras ecuaciones de movimiento de Newton, podemos usarlo para hacer predicciones sobre el movimiento de los planetas, o los caminos de los cometas, o cuánta fuerza se necesita para llevar un cohete a la luna.
Reconocemos a Newton no solo por su idea, sino porque formuló esa idea en una ecuación que hizo predicciones con mayor precisión que nunca. Pero no fue perfecto: las ecuaciones de Newton produjeron algunas predicciones incorrectas y, lo que es más importante, no describió cómo funciona la gravedad como lo hace. Newton era muy consciente de esto cuando dijo:
La gravedad debe ser causada por un agente que actúa constantemente de acuerdo con ciertas leyes; pero ya sea que este agente sea material o inmaterial, lo he dejado a la consideración de mis lectores.
Isaac Newton
Distorsiones en el espacio y el tiempo.
Más de 200 años después de la publicación de los Principia , el mundo seguía sin comprender el mecanismo de la gravedad. Entra Albert Einstein, un hombre que iba a cambiar el mundo de muchas maneras. Pero antes de llegar a su trabajo, tendremos que tomar un desvío más.
No puedes saber si te estás moviendo (a una velocidad constante)
En 1632, incluso antes de que Newton publicara su obra ahora famosa, Galileo Galilei escribió sobre el movimiento relativo de los objetos familiares en su tiempo: los barcos.
Si está en una habitación cerrada en un barco que navega a una velocidad constante y el viaje es perfectamente suave, los objetos se comportan como lo harían en tierra. No hay ningún experimento físico que pueda realizar para saber si se está moviendo o está parado (suponiendo que no esté mirando por un ojo de buey). Esta es la idea central detrás de la relatividad, y es la misma razón por la que no sentimos el movimiento de nuestro planeta alrededor del sol, o el movimiento de nuestro sistema solar a través de la galaxia.
Los experimentos en un vehículo de movimiento suave producen los mismos resultados que los experimentos realizados en tierra.
El espacio y el tiempo están unidos
Casi 300 años después de Galileo, Einstein reflexionó sobre las consecuencias de la relatividad en el contexto de un factor importante: la velocidad de la luz. No era la única persona que estaba reflexionando sobre estos temas: otros físicos en ese momento sabían que había preguntas sin respuesta en este frente. Pero fue Einstein quien formuló una teoría, su teoría de la relatividad especial, para explicar los fenómenos existentes y crear nuevas predicciones. Al principio, la relatividad especial puede no parecer tener mucho que ver con la gravedad, pero fue un trampolín esencial para que Einstein entendiera la gravedad.
MOVER LOS RELOJES MARCA MÁS LENTAMENTE
Los experimentos durante el tiempo de Einstein habían demostrado que la velocidad de la luz parecía ser constante. No importa qué tan rápido intentes ponerte al día, la luz siempre parece alejarse de ti a casi 300,000,000 metros por segundo.
¿Porque es esto importante? Bueno, imaginemos construir un reloj fuera de la luz misma. Dos espejos se colocan uno frente al otro, y un “tic” del reloj es el tiempo que tarda una partícula de luz en viajar de un lado a otro y de regreso.
Ahora imaginemos que su amigo, que está en una nave espacial que pasa rápidamente por la Tierra, tiene uno de estos relojes. Para su amigo, el reloj parece funcionar normalmente: las partículas de luz viajan hacia arriba y hacia abajo, como se esperaba, y el tiempo avanza de la manera habitual. Pero desde su perspectiva, al ver pasar el barco, la luz se mueve hacia arriba y hacia abajo y hacia un lado, con el barco. La luz viaja una distancia más larga con cada tic.
RELOJES ESTACIONARIOS VS MOVIMIENTOS LIGEROS
(en cámara lenta)
Como se ve desde el interior de la nave espacial
Según lo visto por un observador estacionario
Entonces, si, para el viajero espacial, la luz viaja a 300,000,000 m / s pero solo tiene que subir y bajar; y para el observador terrestre, la luz viaja a 300,000,000 m / s, pero debe viajar una distancia diagonal más larga; luego, para el observador terrestre, el reloj tarda más en “marcar”.
Este efecto se llama dilatación del tiempo. Cuanto más rápido viaje por el espacio, más lento viajará por el tiempo.
CUESTIONES PERSPECTIVAS
Pero, ¿de quién es el tiempo realmente retrasado? ¿Es la persona en la Tierra, viendo pasar a su amigo en su nave espacial? ¿O el astronauta, quien argumenta que se queda quieta mientras la Tierra pasa volando?
Los relojes en movimiento marcan más lentamente, pero la perspectiva importa.
Por extraño que parezca, ambos puntos de vista son válidos, pero solo mientras ambos están en constante movimiento.
Para ilustrar, supongamos que cuando el astronauta dejó la Tierra, ella y su amiga tenían la misma edad. Cuando ella se va, la nave espacial acelera lejos de la Tierra. Cuando regresa, la nave espacial desacelera para evitar un aterrizaje forzoso. Tanto al salir como al regresar, la nave espacial cambia su marco de referencia, y nuestro astronauta puede sentir el cambio de movimiento. Los experimentos realizados dentro de la nave espacial durante la aceleración y la desaceleración mostrarían que algo está cambiando. Esto rompe la simetría de la situación, y cuando la nave espacial aterrice en la Tierra, nuestro astronauta realmente será más joven que su contraparte terrestre.
Los efectos solo se notan si viajaban muy, muy rápido, pero es cierto que cuando los astronautas y los pilotos de combate de hoy regresen de una misión de alta velocidad, habrán envejecido un poquito menos que el resto de nosotros. hizo durante esa misión.
LAS CUATRO DIMENSIONES DEL ESPACIO
A partir de esto, en lugar de pensar en tres dimensiones del espacio y una dimensión separada del tiempo, podemos considerarlas como cuatro dimensiones del “espacio-tiempo”. Cuanto más rápido viaje a través del espacio, más lento viajará a través del tiempo y viceversa.
CONTRATO DE MOVIMIENTO DE OBJETOS EN EL ESPACIO
Otra consecuencia de la relatividad especial es que los objetos que se mueven rápidamente parecen contraerse en tamaño, en la dirección de su movimiento. (Y de nuevo, esto cambia según la perspectiva desde la que se está mirando).
Aquellos que se mueven más rápido de lo que parecen contraerse en tamaño (en la dirección de su movimiento).
Esto se desprende de la distorsión del tiempo; después de todo, puede medir la longitud de algo por la cantidad de espacio que algo viaja a través del tiempo (por ejemplo, años luz, segundos luz). Y aunque es difícil imaginar medir la longitud de un objeto en movimiento desde la perspectiva de otra persona, la contracción de la longitud es un efecto real y físico, y no solo el resultado de mediciones imprecisas.
A diferencia de las diferencias de edad que pueden surgir de la dilatación del tiempo, no hay efectos residuales debido a la contracción de la longitud una vez que el objeto en movimiento y el observador se reúnen.
Entendiendo la gravedad
La descripción de la gravedad de Einstein conduce a situaciones tan extrañas como la relatividad especial, ¡incluido el viaje en el tiempo!
La aceleración y la gravedad pueden ser indistinguibles
Imagínese despertando en una nave espacial, acelerando a través del espacio. Justo cuando te empujan hacia atrás en el asiento de un automóvil que acelera, la nave espacial que acelera te empuja hacia el lado opuesto al que está acelerando. A un cierto ritmo de aceleración, una balanza podría decirle que pesa exactamente lo mismo que cuando está en su hogar en la Tierra.
En el espacio profundo, lejos de la gravedad, podrías pararte en una nave espacial acelerada y pesar lo mismo que harías en la Tierra.
¿Hay algún experimento físico que pueda hacer dentro de los límites de su nave espacial para saber si realmente estaba acelerando a través del espacio (suponiendo que no hubiera ventanas para mirar), o si, en cambio, estaba dentro de una nave espacial estacionaria en la superficie de ¿Tierra? Einstein dijo que no, así como Galileo imaginó la indistinguibilidad entre una persona dentro de un barco de vela suave (confinada sin ventanas) y una persona en tierra, Einstein se dio cuenta de que los efectos de la aceleración y la gravedad también eran indistinguibles. Esto se llama el principio de equivalencia.
Einstein se dio cuenta de que los efectos de la aceleración y la gravedad son indistinguibles.
WARPS ESPACIALES BAJO MOVIMIENTO ACELERADO
Una vez que Einstein formuló el principio de equivalencia, la gravedad se volvió menos misteriosa. Podría aplicar su conocimiento de la aceleración para comprender mejor la gravedad.
Es posible que sepa que la aceleración no siempre significa un cambio en la velocidad, como cuando acelera en un automóvil y lo empuja hacia el respaldo de su asiento. También puede significar un cambio de dirección, como cuando das la vuelta a una rotonda y te inclinas hacia el costado del automóvil.
Para ampliar esto aún más, imaginemos un paseo cilíndrico de carnaval donde usted y sus compañeros de viaje están atrapados en la superficie exterior. El cilindro gira más y más rápido hasta que la aceleración se alivie y el movimiento se mantenga constante. Pero incluso una vez que la velocidad es constante, todavía sientes el movimiento acelerado: te sientes atrapado en el borde exterior del viaje.
En un objeto que gira a una velocidad constante, aún siente el movimiento acelerado que lo sujeta al borde exterior.
Si este paseo giratorio fuera lo suficientemente grande y se moviera a un ritmo lo suficientemente rápido, comenzaría a notar algunos efectos extraños dentro del paseo en sí, no solo desde el punto de vista de alguien parado fuera de él.
Con cada rotación, los que se encuentran en el borde del recorrido recorren la circunferencia completa del cilindro, mientras que en el centro, casi no hay ningún movimiento. Entonces, si alguien se parara en el centro del viaje (quizás sostenido por un aparato ortopédico, evitando que caigan al borde), notarían todos esos efectos extraños que vimos bajo una relatividad especial: que aquellos en el borde se contraerán en longitud, y sus relojes marcarán a un ritmo más lento.
LA GRAVEDAD ES LA CURVATURA DEL ESPACIO
El principio de equivalencia nos dice que los efectos de la gravedad y la aceleración son indistinguibles. Al pensar en el ejemplo del paseo cilíndrico, vemos que el movimiento acelerado puede deformar el espacio y el tiempo. Es aquí donde Einstein conectó los puntos para sugerir que la gravedad es la deformación del espacio y el tiempo. La gravedad es la curvatura del universo, causada por cuerpos masivos, que determina el camino que recorren los objetos. Esa curvatura es dinámica, se mueve a medida que se mueven esos objetos.
En la visión del mundo de Einstein, la gravedad es la curvatura del espacio-tiempo causada por objetos masivos. Fuente de la imagen: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.
Esta teoría, la relatividad general, predice todo, desde las órbitas de las estrellas hasta la colisión de asteroides y manzanas que caen de una rama a la tierra, todo lo que hemos llegado a esperar de una teoría de la gravedad.
El espacio-tiempo agarra la masa, diciéndole cómo moverse … La masa agarra el espacio-tiempo, diciéndole cómo curvarse
El físico John Wheeler
