Gravedad: la atracción que organiza el cosmos

Peso frente a masa

En la conversación cotidiana, decimos que las cosas caen porque la gravedad de la Tierra tira de ellas. Hablamos como si nuestro peso fuera algo "dado". En realidad, el peso cambia cuando cambia la atracción de la gravedad. La Luna es mucho más pequeña y la atracción de la gravedad en la Luna es aproximadamente 1/6 de la de la Tierra. Así que cualquier objeto en la Luna pesa 1/6 de su peso en la Tierra. Lo que no cambia es la cantidad de materia de un objeto. Eso se llama conservación de la masa. En la Tierra, la masa y el peso son iguales para la mayoría de los fines, aunque un gravímetro sensible puede detectar la diferencia. La diferencia puede ser muy diferente en otro mundo como la Luna.

De esto aprendemos dos cosas.

1. El peso de un objeto es variable; su masa es constante.
2. La atracción de la gravedad varía en función de la masa de un objeto. La Tierra tira con más fuerza que la Luna. Una persona también ejerce una atracción gravitatoria, pero es tan pequeña que puede ignorarse a efectos prácticos.

La Tierra tiene masa. Cada partícula de materia tiene masa. Así que la Tierra tira de todos los objetos y personas, y éstos tiran de la Tierra. Esta fuerza de atracción se llama "gravedad" y da peso.

Gravedad vs. gravitación

Estas palabras significan casi lo mismo en el uso cotidiano. A veces los científicos utilizan "gravedad" para la fuerza que atrae a los objetos entre sí, y "gravitación" para la teoría sobre la atracción.

Galileo

Según uno de sus alumnos, Galileo hizo un famoso experimento sobre la gravedad en el que dejó caer bolas desde la Torre de Pisa. Más tarde hizo rodar las bolas por pendientes. Con estos experimentos, Galileo demostró que la gravitación acelera todos los objetos a la misma velocidad independientemente de su peso.

Kepler

Johannes Kepler estudió el movimiento de los planetas. En 1609 y 1616 publicó sus tres leyes que rigen la forma de sus órbitas y su velocidad a lo largo de las mismas, pero no descubrió por qué se movían así.

Newton

En 1687, el matemático inglés Isaac Newton escribió los Principia. En este libro, escribió sobre la ley del cuadrado inverso de la gravitación. Newton, siguiendo una idea que había sido discutida durante mucho tiempo por otros, dijo que cuanto más cerca estén dos objetos entre sí, más les afectará la gravedad.

Según la ley de la gravitación universal de Newton, la gravedad es una fuerza entre dos objetos cualquiera con masa. Tres números afectan a su fuerza: la masa de cada objeto y la distancia entre ellos. Estos dos objetos tirarán el uno del otro con la misma fuerza. Sin embargo, una fuerza tiene un efecto mayor en los objetos con menos masa. La fuerza entre el Sol y la Tierra hace que la Tierra orbite alrededor del Sol, pero sólo mueve el Sol una pequeña cantidad.

Las leyes de Newton se utilizaron posteriormente para predecir la existencia del planeta Neptuno basándose en los cambios en la órbita de Urano, y de nuevo para predecir la existencia de otro planeta más cercano al Sol que Mercurio. Cuando se hizo esto, se supo que su teoría no era del todo correcta. Estos errores en su teoría fueron corregidos por la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. La teoría de Newton se sigue utilizando habitualmente para muchas cosas porque es más sencilla y es lo suficientemente precisa para muchos usos.

Equilibrio dinámico

¿Por qué la Tierra no cae en el Sol? La respuesta es sencilla pero muy importante. Se debe a que la Tierra que se mueve alrededor del Sol se encuentra en un equilibrio dinámico. La velocidad del movimiento de la Tierra crea una fuerza centrífuga que equilibra la fuerza gravitatoria entre el Sol y la Tierra. ¿Por qué la Tierra sigue girando? Porque no hay ninguna fuerza que la detenga.

La primera ley de Newton: "Si un cuerpo está en reposo permanece en reposo o si está en movimiento se mueve a la misma velocidad hasta que se actúa sobre él con una fuerza externa".

Existe una especie de analogía entre la fuerza centrífuga y la fuerza gravitatoria, que condujo al "principio de equivalencia" de la relatividad general.

Ingravidez

En caída libre el movimiento de un objeto equilibra la atracción de la gravedad sobre él. Esto incluye estar en órbita.

La teoría especial de la relatividad describe sistemas en los que la gravedad no es un problema; en cambio, la gravedad es el tema central de la teoría general de la relatividad.

En la relatividad general no existe una fuerza gravitatoria que desvíe los objetos de sus trayectorias naturales y rectas. En su lugar, la gravedad se ve como cambios en las propiedades del espacio y el tiempo. A su vez, esto cambia las trayectorias más rectas posibles que los objetos seguirán de forma natural. La curvatura es, a su vez, causada por la energía-momento de la materia. El espaciotiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espaciotiempo cómo curvarse.

Para campos gravitatorios débiles y velocidades lentas en relación con la velocidad de la luz, las predicciones de la teoría convergen en las de la ley de la gravitación universal de Newton. Las ecuaciones de Newton se utilizan para planificar los viajes en nuestro Sistema Solar.

La relatividad general tiene una serie de consecuencias físicas.

Dilatación del tiempo y desplazamiento de la frecuencia

La gravedad influye en el paso del tiempo. La luz enviada hacia abajo en un pozo gravitatorio se desplaza hacia el azul, mientras que la luz enviada en la dirección opuesta (es decir, saliendo del pozo gravitatorio) se desplaza hacia el rojo; en conjunto, estos dos efectos se conocen como desplazamiento de la frecuencia gravitatoria.

De forma más general, los procesos cercanos a un cuerpo masivo se desarrollan más lentamente en comparación con los procesos que tienen lugar más lejos; este efecto se conoce como dilatación gravitatoria del tiempo.

Desviación de la luz y retardo del tiempo gravitacional

La relatividad general predice que la trayectoria de la luz se dobla en un campo gravitatorio; la luz que pasa por un cuerpo masivo se desvía hacia ese cuerpo. Este efecto se ha confirmado al observar que la luz de las estrellas o de los cuásares lejanos se desvía al pasar por el Sol.

Estrechamente relacionado con la desviación de la luz está el retardo gravitatorio (o retardo de Shapiro), el fenómeno por el que las señales luminosas tardan más en moverse a través de un campo gravitatorio de lo que lo harían en ausencia de ese campo. Se han realizado numerosas pruebas con éxito de esta predicción.

Un parámetro llamado γ codifica la influencia de la gravedad en la geometría del espacio.

Ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales son ondulaciones en la curvatura del espaciotiempo. Se mueven como una onda, viajando hacia fuera desde la fuente. Einstein las predijo en 1915 basándose en su teoría de la relatividad general. En teoría, las ondas gravitacionales transportan energía como radiación gravitacional. Las fuentes de ondas gravitacionales detectables podrían incluir sistemas estelares binarios compuestos por enanas blancas, estrellas de neutrones o agujeros negros. En la relatividad general, las ondas gravitacionales no pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz.

El Premio Nobel de Física de 1993 se concedió por las mediciones del sistema estelar binario Hulse-Taylor. Estas mediciones sugirieron que las ondas gravitacionales son algo más que peculiaridades matemáticas.

El 11 de febrero de 2016, los equipos de la Colaboración Científica LIGO y de la Colaboración Virgo anunciaron que habían realizado la primera observación de ondas gravitacionales, originadas por un par de agujeros negros en fusión, utilizando los detectores avanzados de LIGO. El 15 de junio de 2016 se anunció una segunda detección de ondas gravitacionales procedentes de agujeros negros en fusión. Además de LIGO, se están construyendo muchos otros observatorios de ondas gravitacionales (detectores).

• Velocidad de escape
• La relatividad general
• Las leyes del movimiento de Newton