Aquí está el trato: nada puede viajar más rápido que la luz. Un agujero negro atrapa todo, incluida la luz. Entonces, ¿cómo escapa la gravedad de un agujero negro? Es una gran pregunta, y perfectamente razonable dada la comprensión de la mayoría de la gente sobre la gravedad. La respuesta es que la gravedad no funciona de la manera que probablemente pienses que funciona.
La forma más común de pensar en la gravedad es como una fuerza entre dos masas. Por ejemplo, la Tierra ejerce una fuerza gravitacional sobre la Luna, y la Luna retrocede a la Tierra a cambio. Este “modelo de fuerza” de la gravedad es lo que Newton usó para desarrollar su ley de la gravedad universal, que se mantuvo como la teoría definitiva de la gravedad hasta principios del siglo XX, y todavía se utiliza hasta nuestros días. Pero dentro de este modelo de gravedad hay algunas suposiciones que podemos explorar jugando el juego “¿y si?”.
Supongamos que tenemos un universo con una sola masa. Imagina un espacio vacío que se extiende hasta donde quieras, con una sola masa en el centro (que llamaremos Bob). ¿Tendría gravedad una masa así? Si la gravedad es una fuerza de un objeto sobre otro objeto, entonces la respuesta sería no. Bob no tiene otra masa que tirar, por lo que no hay fuerza gravitacional. Si agregamos otra masa a nuestro universo (llamamos a esta Alice), entonces Bob y Alice ejercerían una fuerza mutua, y existiría la gravedad. Pero la gravedad solo existiría entre Bob y Alice, y en ningún otro lugar de nuestro universo vacío.
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TIERRA Y LUNA CON SUS EFECTOS CAMPOS GRAVITACIONALES. CRÉDITO: HIPERFÍSICA
Uno de los problemas con este modelo de fuerza es que requiere que las masas ejerzan fuerzas sobre otras masas a través del espacio vacío. Este problema de “acción a distancia” fue resuelto en parte por Pierre-Simon Laplace a principios del siglo XIX. Su idea era que una masa debía llegar a otras masas con algún tipo de energía, lo que él llamó un campo. Otras masas sentirían este campo como una fuerza que actúa sobre ellos. Entonces, si nuevamente imaginamos nuestra masa Bob en un universo solitario, diríamos que Bob tiene un campo gravitacional que lo rodea, incluso si no hubiera otras masas en el universo. Esto elimina la necesidad de acción a distancia, porque cuando colocamos nuestra masa de Alice en el universo, simplemente detecta cualquier campo gravitacional que se encuentre en su ubicación y experimenta una fuerza. Sabemos que el campo gravitacional se debe a Bob a cierta distancia, pero Alice simplemente sabe que hay un campo gravitacional en su ubicación.
Tanto el modelo de fuerza como el modelo de campo de la gravedad newtoniana dan las mismas predicciones, por lo que experimentalmente no hay una forma real de distinguir uno del otro. Sin embargo, los campos son a menudo un concepto más fácil para trabajar matemáticamente, y los campos también se usan para describir cosas como la electricidad y el magnetismo, por lo que generalmente pensamos en la gravedad newtoniana como un campo.
SI LA VELOCIDAD DE LA GRAVEDAD FUERA FINITA, CREARÍA ONDAS GRAVITACIONALES.
Pero esto plantea otra pregunta. Supongamos que en nuestro universo de Bob y Alice cambiamos de repente la posición de Bob. ¿Cuánto tiempo le tomará a Alice reconocer el cambio? En otras palabras, si cambiamos la posición de Bob, ¿a qué velocidad se propaga el cambio a través del campo gravitacional? Cuando Laplace consideró esta idea, descubrió que los cambios en un campo gravitacional tenían que suceder instantáneamente. La “velocidad de la gravedad” tendría que ser infinita. Por ejemplo, si la gravedad viajara a la velocidad de la luz, la Tierra intentaría orbitar el punto donde estaba el Sol hace 8.3 minutos (el tiempo que tarda la luz en viajar del Sol a la Tierra). Como resultado, la órbita de la Tierra se volvería inestable con el tiempo.
En ese momento, la idea de que la gravedad actuara a velocidad infinita no se consideraba un problema. De hecho, se utilizó como argumento contra las ideas alternativas de gravedad propuestas en ese momento. Pero a principios de 1900, Einstein desarrolló su teoría especial de la relatividad, que (entre otras cosas) requería que nada pudiera viajar más rápido que la luz. Si ese es el caso, entonces hay algo mal con nuestra teoría de la gravedad. Para 1915, Einstein había desarrollado un nuevo modelo de gravedad conocido como relatividad general, que satisfizo tanto el modelo gravitacional de Newton como la relatividad especial.
DISMINUCIÓN DE UNA ÓRBITA PULSAR EN COMPARACIÓN CON LA RELATIVIDAD GENERAL (LÍNEA DE PUNTOS).
Según la teoría, por ejemplo, cuando dos grandes masas como las estrellas de neutrones orbitan entre sí, deberían producir ondas gravitacionales que se irradian lejos de ellas. Estas ondas gravitacionales deben viajar a la velocidad de la luz. Ha habido intentos experimentales para detectar tales ondas gravitacionales, pero hasta ahora no han tenido éxito. Sin embargo, hemos encontrado evidencia indirecta de ondas gravitacionales. Al observar un púlsar binario, hemos observado que su órbita decae ligeramente con el tiempo. Esta desintegración orbital se debe al hecho de que las ondas gravitacionales llevan la energía lejos del sistema. La tasa de esta descomposición coincide perfectamente con la predicción de la relatividad general. Dado que esta tasa de desintegración depende de manera crucial de la velocidad de las ondas gravitacionales, esto también es una confirmación indirecta de que las ondas gravitacionales se mueven a la velocidad de la luz.
Pero si la gravedad se mueve a la velocidad de la luz, ¿no significa eso que las órbitas planetarias deberían ser inestables? En realidad no. Cuando Laplace estudió la gravedad de velocidad finita, consideró solo el efecto de la velocidad de la gravedad, que es lo que conduce a su resultado, pero en la relatividad especial y general, la velocidad finita de la luz conduce a otros efectos, como la dilatación del tiempo debido a movimiento relativo, y el aparente cambio de masa debido al movimiento relativo. Matemáticamente, estos efectos surgen debido a una propiedad conocida como invariancia de Poincaré. Debido a esta invariancia, el retraso temporal de la gravedad y los efectos dependientes de la velocidad del tiempo y la masa se cancelan, de modo que efectivamente las masas se sienten atraídas hacia donde se encuentra una masa. Este efecto de cancelación significa que para el movimiento orbital es como si la gravedad actuara instantáneamente.
Pero espere un minuto, ¿cómo puede un campo gravitacional tener una velocidad finita y actuar instantáneamente al mismo tiempo? Un campo gravitacional no puede, pero en general la gravedad de la relatividad no es un campo de energía.
LA NATURALEZA RELATIVA DEL AHORA.
Desde mucho antes de Newton, generalmente se suponía que los objetos y los campos de energía interactuaban en el espacio en momentos particulares. De esta manera, el espacio y el tiempo pueden verse como un fondo en el que suceden las cosas. El espacio y el tiempo fueron vistos como una red cósmica contra la cual se podía medir cualquier cosa. Al desarrollar una relatividad especial, Einstein descubrió que el espacio y el tiempo no podían ser un trasfondo absoluto. Desde el punto de vista de Newton, dos eventos que se observan al mismo tiempo serán simultáneos para todos los observadores. Pero Einstein descubrió que la constancia de la luz requería que este concepto de “ahora” fuera relativo. Los diferentes observadores que se mueven a diferentes velocidades estarán en desacuerdo sobre el orden de los eventos. En lugar de un fondo fijo, el espacio y el tiempo es una relación entre eventos que depende de dónde y cuándo esté el observador.
LA DISTORCIÓN DEL ESPACIO Y EL TIEMPO CERCA DE LA TIERRA. CRÉDITO: CHRISTOPHER VITALE
Este principio llevado a la teoría de la gravedad de Einstein. En general, la gravedad de la relatividad no es un campo de energía. En cambio, la masa distorsiona las relaciones entre el espacio y el tiempo. Si volvemos a nuestro ejemplo anterior, si colocamos a Bob en masa en un universo vacío, las relaciones de espacio y tiempo a su alrededor se distorsionan. Cuando colocamos la masa de Alice cerca, la distorsión del espacio-tiempo a su alrededor significa que se mueve hacia la masa de Bob. Parece que Alice está siendo arrastrada hacia Bob por una fuerza, pero en realidad se debe al hecho de que el espacio-tiempo está distorsionado.
Como dijo el físico John Wheeler, “El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse “.
Así es como la gravedad puede actuar instantáneamente mientras que las ondas gravitacionales parecen viajar a la velocidad de la luz. La gravedad no es algo que viaja a través del espacio y el tiempo. La gravedad es espacio y tiempo.
Un agujero negro es una distorsión extrema del espacio y el tiempo debido a una masa muy densa. Tal distorsión del espacio-tiempo puede evitar que la luz y la materia escapen. Pero la distorsión del espacio-tiempo también es la gravedad. No necesita escapar del agujero negro, porque es el agujero negro.
Eso es lo que pasa con la ciencia. A veces, una simple pregunta lo empujará hacia una respuesta inesperada.