Masa y energía son equivalentes. Cualquier cosa que tenga masa tiene una cantidad equivalente de energía, y cualquier cosa que tenga energía tiene una cantidad equivalente de masa. Esta relación entre masa y energía fue establecida por Einstein en su famoso artículo de 1905, “¿La inercia de un cuerpo depende de su contenido energético?”
La ciencia da respuestas a las preguntas de “qué”, pero la ciencia no es capaz de dar las respuestas finales a las preguntas de “por qué”, ya que la respuesta a cada pregunta de “por qué” se basa necesariamente en premisas que pueden ser cuestionadas por otras preguntas de “por qué” en un infinito regresión.
La energía deforma el espacio-tiempo porque se observa que la energía es equivalente a la masa (una interpretación del “qué” basada en la teoría y la observación experimental), y la deformación de la masa del espacio-tiempo (otra interpretación del “qué” basada en la teoría y la observación experimental). Pero por favor no intente preguntar “por qué” deforma el espacio-tiempo en masa, ya que ese sería el comienzo de la regresión infinita antes mencionada.
- Cuando un objeto cruza el horizonte de eventos de un agujero negro, ¿se puede considerar que retrocede en el tiempo?
- ¿Qué pasaría si estuviera en una llamada de Skype con alguien cerca de un agujero negro?
- ¿Es el agujero de gusano la etapa inicial del agujero negro? En caso afirmativo, ¿cómo se convierte?
- ¿Qué son el espacio-tiempo y la relatividad? ¿A qué conceptos adicionales conducen?
- ¿Por qué los componentes T01, T02, T03, T10, T20 y T30 del tensor de energía de estrés en relatividad general se refieren a la densidad de momento en las direcciones x, y y z?
En cambio, considere el siguiente hecho notable:
1) Mientras que en la teoría de la gravitación de Newton, la única fuente de fuerza gravitacional es la masa,
2) la relatividad general identifica múltiples fuentes de curvatura espacio-temporal además de la masa. En las ecuaciones de campo de Einstein , las fuentes de gravedad se identifican en el tensor de energía de estrés , ilustrado a continuación:
Las fuentes de curvatura espacio-temporal incluyen la densidad de masa-energía (rojo), la densidad de momento (naranja), la presión (verde) y el esfuerzo cortante (azul).
La relatividad nos informa que el espacio y el tiempo representan diferentes aspectos de una entidad más integral llamada espacio-tiempo. La relatividad también nos informa que la energía de masa y el momento representan diferentes aspectos de una entidad más integral llamada cuatro momentos . Debido a esto, si la energía de masa es una fuente de curvatura espacio-temporal, el momento también debe ser una fuente.
La inclusión del momento como fuente de curvatura espacio-temporal implica que, incluso cuando las cargas en movimiento generan campos magnéticos, las masas en movimiento generan campos gravitomagnéticos . Esta predicción de la relatividad general fue validada por el experimento Gravity Probe B.
Los potentes campos gravitomagnéticos generados por la rotación de los agujeros negros pueden ser responsables de dar forma a los poderosos chorros que a menudo se ven expulsados por ellos (en el mecanismo de Penrose ; alternativamente, los campos magnéticos en el proceso de Blandford-Znajek podrían ser responsables de los chorros, o podrían deberse a una combinación de campos gravitomagnéticos y magnéticos).
La presión como fuente de curvatura espacio-temporal tiene implicaciones importantes en la astrofísica. Por ejemplo, si la presión no contribuye a la fuerza gravitacional, no habría un límite obvio para la masa de una estrella de neutrones. El material nuclear que forma una estrella de neutrones es extremadamente resistente a la compresión. Agregar masa adicional a una estrella de neutrones comprimiría el núcleo solo una pequeña cantidad antes de que el aumento de la presión impidiera una mayor contracción. Como resultado, se podría agregar una cantidad indefinida de masa a una estrella de neutrones, y el aumento de su volumen total sería casi directamente proporcional a la masa agregada.
En realidad, esto no es lo que sucede. Agregar masa a una estrella de neutrones aumenta la presión ejercida por el núcleo para sostenerse contra la gravedad. Sin embargo, el aumento de la presión se suma a la gravedad que actúa sobre la masa de la estrella, de modo que en lugar de que la estrella de neutrones aumente de volumen, la gravedad de la superficie aumenta, de modo que el volumen permanece aproximadamente constante en un rango de masas de estrellas de neutrones. Finalmente, la gravedad de la superficie aumenta hasta el punto en que la estrella comienza a encogerse. Cuando la masa excede el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, la contracción se convierte en un proceso desbocado y la estrella de neutrones se derrumba en un agujero negro.
La reciente detección de ondas gravitacionales por los interferómetros LIGO demuestra el papel del esfuerzo cortante en la creación de la curvatura espacio-temporal. Mientras que las ondas electromagnéticas pueden generarse mediante la aceleración simple de una partícula de prueba cargada, la aceleración simple no es suficiente para generar ondas gravitacionales. La producción de ondas gravitacionales requiere que la derivada del tercer tiempo (es decir, la aceleración de la aceleración ) del momento cuadrupolo del tensor de energía de esfuerzo del sistema sea diferente de cero para que pueda emitir radiación gravitacional.
Debido a esto, si uno pudiera imaginar una explosión de supernova perfectamente simétrica, dicha explosión no generaría ondas gravitacionales. La generación de ondas gravitacionales requiere que tal explosión sea asimétrica , lo que afortunadamente (desde el punto de vista de poder detectar ondas gravitacionales) debería ser cierto en la mayoría de los casos.
El modelado numérico de las formas de onda de los primeros tres descubrimientos de LIGO, que los identificó como correspondientes a agujeros negros inspiradores, requirió que se prestara una atención destacada a los términos fuera de la diagonal (tensión de corte) del tensor de tensión-energía.
Resumen: en la gravitación newtoniana, la masa proporciona la única fuente de fuerza gravitacional. La relatividad general, por otro lado, identifica múltiples fuentes de curvatura espacio-temporal: densidad de masa-energía, densidad de momento, presión y esfuerzo cortante.
