Diferencia entre revisiones de «Fuerza de gravedad»

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|contenido=la '''MSc. Mayra Arap Fresno''', perteneciente a la '''[[Universidad Agraria de La Habana]]''' (UNAH).
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'''Gravedad'''. Es una de las cuatro interacciones fundamentales. Origina la aceleración que experimenta un objeto en las cercanías de un objeto astronómico. También se denomina fuerza gravitatoria, fuerza de gravedad, interacción gravitatoria o gravitación.
 
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==Ley de Gravitación Universal==
 
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La Ley de la Gravitación Universal de [[Isaac Newton]] establece que la fuerza que ejerce una partícula puntual con masa m1 sobre otra con masa m2 es directamente proporcional al producto de las masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
 
  
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== El campo gravitatorio estático responsable del fenómeno universal de la gravedad ==  
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|nombre= Gravedad
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El campo gravitatorio estático se formula en dos configuraciones: el estático verdadero de la relatividad general que permanece igual, mientras no ocurra un cataclismo cósmico, porque es la curvatura del espacio-tiempo de una región local y el estático aparente de la [[física]] cuántica, puesto que realmente está compuesto por [[gravitones]] virtuales con [[velocidad]], pero debido a que estos gravitones existen dentro del lapso de incertidumbre jamás se pueden detectar y el campo gravitatorio parece el mismo siempre.
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|imagen= Gravedad.jpg
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En la teoría de la relatividad general la gravedad es un fenómeno del potencial de la curvatura del espacio-tiempo de una región local. Realmente, no hay radiación entre los cuerpos enlazados dentro de una relación de gravedad, de la misma manera que no existe [[radiación]] en la transmisión de la fuerza eléctrica o magnética entre cargas eléctricas en reposo o en movimiento uniforme rectilíneo. Por tanto, el gradiente del campo potencial de la gravedad, en cualquier punto del campo gravitatorio del [[Sistema Solar]], apunta a la posición verdadera del [[Sol]] y no existe velocidad de la gravedad.
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Pero, en la teoría de la gravedad cuántica aunque también el campo estático de la gravedad es responsable por el fenómeno de la gravitación universal, sin embargo este fenómeno resulta del intercambio de gravitones virtuales entre dos o más cuerpos interactúantes y puesto que la aberración no se detecta la velocidad del gravitón virtual debe sobrepasar c, que es físicamente posible porque el gravitón virtual no posee masa intrínseca, es decir, de acuerdo con el cuadri vector momento. Sin embargo paro los físicos relativistas la velocidad del gravitón será c.
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|concepto= Es un fenómeno natural por el cual los objetos con masa son atraídos entre sí.
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En 1998 el astrónomo, matemático y científico Tom Van Flandern derivó de las fórmulas de la mecánica celeste una ecuación que aplico a la [[órbita]] de la [[tierra]] y al pulsar binario PSR1534+12 y él obtuvo que la velocidad de la gravedad sería mínimo 20 mil millones veces c. Tom dice: "Si la gravedad de nuevo se toma como una fuerza de la naturaleza que se propaga en un espacio-tiempo plano entonces la velocidad de la propagación indicada por la observación y los experimentos: es no menor que 2 x 1010 c".
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}}''' Gravedad'''. Es un fenómeno natural por el cual los objetos con masa son atraídos entre sí, efecto mayormente observable en la interacción entre los [[planetas]], galaxias y demás objetos del [[universo]].
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Tom ha dicho que si la velocidad de la gravedad fuera c entonces se produciría por efecto de la propagación del campo estático el fenómeno de la aberración y las órbitas de los planetas serían inestables. Los contradictores de Tom dicen que esto fue resuelto por Faraday, Maxwell y otros. Es cierto que los físicos del siglo XIX al descubrir el campo, a través del que un cuerpo distante hace contacto con otro, se elimino la acción a distancia de Newton. Pero, también es cierto, que fueron los físicos del siglo XX los que descubrieron el campo cuántico, compuesto de partículas virtuales si es el estático y de partículas reales cuando es el dinámico. Y que fue en el efecto de Poynting-Robertson que quedo establecido que la acción mediada a través del campo con velocidad finita causa inestabilidad orbital como el doctor Tom Van Flandern dice.
 
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== La velocidad de configuración de la curvatura de una región espaciotiempo local ==
 
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En la relatividad general los cuerpos siguen inercialmente las geodesias de una determinada configuración de espaciotiempo. La ecuación de Einstein: Gab = 8 Л G/c2 Tab muestra como el flujo de [[energía]] y momento a través de un punto del espaciotiempo afecta su curvatura allí. Esta ecuación no aplica para el vacío pero también el espaciotiempo vacío se curva dentro de una región local conforme a la gravitación de un Sistema Solar.
 
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La velocidad con lo cual sucede esta conexión sería c e indicaría que es la velocidad del curvamiento del espaciotiempo de una región local. Esta supuesta velocidad c fue relevante durante la formación del sistema solar posiblemente debido a la fragmentación y el colapso gravitacional de una muy gigantesca nube de gas y polvo interestelar, hace cerca de 4.650 millones de años y hasta unos 100 millones de años después en que el sistema solar adquirió un aspecto semejante al actual compuesto del Sol, subregiones de los planetas y sus lunas, [[asteroides]], [[cometa|cometas]], [[meteoroides]], polvo y gas interplanetario.
 
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En ese lapso quedaron formadas las configuraciones tetra curvas del espaciotiempo tanto de la región local como de sus subregiones muy similares a las configuraciones existentes hoy día. También, es la velocidad con que se actualiza dichas curvaturas con los cambios muy suaves que van ocurriendo en los flujos de energía y momento dentro de una región local debido a la interacción de nuestro sistema solar con el resto del Universo, en los procesos de entrega y recibo de energía radiante, pero que en términos de la Mecánica celeste carecen de importancia.
 
  
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== Las ondas gravitatorias y su velocidad de acuerdo con las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein ==
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== Ley de la Gravitación Universal de Newton ==
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[[Albert Einstein]] consideró la existencia de radiación de ondas de gravedad por el campo dinámico gravitatorio, que en el más bajo orden es proporcional al cuadrupolo momento de la distribución de la masa-energía de una región local. Estas ondas gravitatorias son absolutamente ajenas al fenómeno de la gravitación Universal.
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En la teoría newtoniana de la gravitación, los efectos de la gravedad son siempre atractivos, y la fuerza resultante se calcula respecto del centro de gravedad de ambos objetos (en el caso de la [[Tierra]], el centro de gravedad es su centro de masas, al igual que en la mayoría de los cuerpos celestes de características homogéneas). La gravedad newtoniana tiene un alcance teórico infinito; la fuerza es mayor si los objetos están próximos pero a mayor distancia dicha fuerza pierde intensidad. Además Newton postuló que la gravedad es una acción a distancia (y por tanto a nivel relativista no es una descripción correcta, sino solo una primera aproximación para cuerpos en movimiento muy lento comparado con la velocidad de la luz).
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La velocidad de propagación de estas ondas gravitatorias, sería c, la cual cuenta con el aval de la comunidad de científicos relativistas, quienes incluso calculan puede ser un poco menor según el profesor doctor [[Helmut Rechenberg]], del Instituto [[Max Planck]], en [[Munich]], [[Alemania]]
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Por ejemplo, usando la ley de la gravitación universal, podemos calcular la fuerza de atracción entre la [[Tierra]] y un cuerpo de 50 kg. La masa de la Tierra es 5,974 × 1024 kg y la distancia entre el centro de gravedad de la Tierra (centro de la tierra) y el centro de gravedad del cuerpo es 6378,14 km (igual a 6 378 140 m, y suponiendo que el cuerpo se encuentre sobre la línea del ecuador).
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La fuerza con que se atraen la Tierra y el cuerpo de 50 kg es 490.062 N (Newtons, Sistema Internacional de Unidades), lo que representa 50 kgf (kilogramo-fuerza, Sistema Técnico), como cabía esperar, por lo que decimos simplemente que el cuerpo pesa 50 kg.
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Dentro de esta ley empírica se encuentran importantes conclusiones:
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*Las fuerzas gravitatorias son siempre atractivas. El hecho de que los planetas describan una órbita cerrada alrededor del Sol indica este hecho. Una fuerza atractiva puede producir también órbitas abiertas, pero una fuerza repulsiva nunca podrá producir órbitas cerradas.
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*Tienen alcance infinito. Dos cuerpos, por muy alejados que se encuentren, experimentan esta fuerza.
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*La fuerza asociada con la interacción gravitatoria es central.
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*A mayor distancia menor fuerza de atracción, y a menor distancia mayor la fuerza de atracción.
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A pesar de los siglos, hoy sigue utilizándose cotidianamente esta ley en el ámbito del movimiento de cuerpos incluso a la escala del [[sistema solar]], aunque esté desfasada teóricamente. Para estudiar el fenómeno en su completitud hay que recurrir a la teoría de la Relatividad General.
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=== Problema de los dos cuerpos y órbitas planetarias ===
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La ley de Newton aplicada a un sistema de dos partículas o dos cuerpos, cuyas dimensiones físicas son pequeñas comparadas con las distancias entre ellos, lleva a que ambos cuerpos describirán una curva cónica (elipse, parábola o hipérbola) respecto a un sistema de referencia inercial con origen en el centro de masa del sistema, que además coincidirá con uno de los focos de la cónica. Si la energía total del sistema (energía potencial más [[energía cinética]] de los cuerpos) es negativa, entonces las curvas cónicas que dan la trayectoria de ambos cuerpos serán elipses. Ese resultado fue la primera deducción teórica de que los planetas reales se mueven en trayectorias que con bastante aproximación, son elipses, y permitió explicar diversas observaciones empíricas resumidas en las leyes de Kepler.
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=== Problema de los tres cuerpos ===
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De acuerdo con la descripción newtoniana, cuando se mueven tres cuerpos bajo la acción de su campo gravitatorio mutuo, como el sistema [[Sol]]-[[Tierra]]-[[Luna]], la fuerza sobre cada cuerpo es justamente la suma vectorial de las fuerzas gravitatorias ejercidas por los otros dos. Así las ecuaciones de movimiento son fáciles de escribir pero difíciles de resolver ya que no son lineales. De hecho, es bien conocido que la dinámica del problema de los tres cuerpos de la mecánica clásica es una dinámica caótica.
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Desde la época de Newton se ha intentado hallar soluciones matemáticamente exactas del problema de los tres cuerpos, hasta que a finales del [[siglo XIX]] Henri Poincaré demostró en un célebre trabajo que era imposible una solución general analítica (sin embargo, se mostró también que por medio de series infinitas convergentes se podía solucionar el problema). Solo en algunas circunstancias son posibles ciertas soluciones sencillas. Por ejemplo, si la masa de uno de los tres cuerpos es mucho menor que la de los otros dos (problema conocido como problema restringido de los tres cuerpos), el sistema puede ser reducido a un problema de dos cuerpos más otro problema de un solo cuerpo.
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== Teoría general de la relatividad ==
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[[Albert Einstein]] revisó la teoría newtoniana en su teoría de la relatividad general, describiendo la interacción gravitatoria como una deformación de la geometría del espacio-tiempo por efecto de la masa de los cuerpos; el espacio y el tiempo asumen un papel dinámico.
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Según Einstein, no existe el empuje gravitatorio; dicha fuerza es una ilusión, un efecto de la geometría. Así, la [[Tierra]] deforma el espacio-tiempo de nuestro entorno, de manera que el propio espacio nos empuja hacia el suelo. Una [[hormiga]], al caminar sobre un papel arrugado, tendrá la sensación de que hay fuerzas misteriosas que la empujan hacia diferentes direcciones, pero lo único que existe son pliegues en el papel, su geometría.
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La deformación geométrica viene caracterizada por el tensor métrico que satisface las ecuaciones de campo de Einstein. La "fuerza de la gravedad" newtoniana es solo un efecto asociado al hecho de que un observador en reposo respecto a la fuente del campo no es un observador inercial y por tanto al tratar de aplicar el equivalente relativista de las leyes de Newton mide fuerzas ficticias dadas por los símbolos de Christoffel de la métrica del espacio-tiempo.
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La gravedad convencional de acuerdo con la teoría de la relatividad tiene generalmente características atractivas, mientras que la denominada energía oscura parece tener características de fuerza gravitacional repulsiva, causando la acelerada expansión del [[universo]].
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=== Ondas gravitatorias ===
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Además, la relatividad general predice la propagación de ondas gravitatorias. Estas ondas solo podrían ser medibles si las originan fenómenos astrofísicos violentos, como el choque de dos estrellas masivas o remanentes del [[Big Bang]]. Estudios preliminares sugieren que estas ondas han sido finalmente detectadas de forma indirecta en la variación del periodo de rotación de púlsares dobles, y según el proyecto LIGO, también se detectaron provenientes de la unión de dos agujeros negros. Por otro lado, las teorías cuánticas actuales apuntan a una "unidad de medida de la gravedad", el gravitón, como partícula que provoca dicha "fuerza", es decir, como partícula asociada al campo gravitatorio.
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=== Efectos gravitatorios ===
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Con la ayuda de esta nueva teoría, se pueden observar y estudiar una nueva serie de sucesos antes no explicables o no observados:
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*Desviación gravitatoria de luz hacia el rojo en presencia de campos con intensa gravedad: la frecuencia de la luz decrece al pasar por una región de elevada gravedad. Confirmado por el experimento de Pound y Rebka (1959).
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*Dilatación gravitatoria del tiempo: los relojes situados en condiciones de gravedad elevada marcan el tiempo más lentamente que relojes situados en un entorno sin gravedad. Demostrado experimentalmente con relojes atómicos situados sobre la superficie terrestre y los relojes en órbita del Sistema de Posicionamiento Global ([[GPS]] por sus siglas en inglés). También, aunque se trata de intervalos de tiempo muy pequeños, las diferentes pruebas realizadas con sondas planetarias han dado valores muy cercanos a los predichos por la relatividad general.
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*Efecto Shapiro (dilatación gravitatoria de desfases temporales): diferentes señales atravesando un campo gravitatorio intenso necesitan mayor tiempo para hacerlo.
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*Decaimiento orbital debido a la emisión de radiación gravitatoria. Observado en púlsares binarios.
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*Precesión geodésica: debido a la curvatura del espacio-tiempo, la orientación de un giroscopio en rotación cambiará con el tiempo. Esto está siendo puesto a prueba por el satélite Gravity Probe B.
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== Búsqueda de una teoría unificada ==
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Aunque aún no se dispone de una auténtica descripción cuántica de la gravedad. Todos los intentos por crear una teoría física que satisfaga simultáneamente los principios cuánticos y a grandes escalas coincida con la teoría de Einstein de la gravitación, han encontrado grandes dificultades. En la actualidad existen algunos enfoques prometedores como la gravedad cuántica de bucles, la teoría de supercuerdas o la teoría de twistores, pero ninguno de ellos es un modelo completo que pueda suministrar predicciones suficientemente precisas. Además se han ensayado un buen número de aproximaciones semiclásicas que han sugerido nuevos efectos que debería predecir una teoría cuántica de la gravedad. Por ejemplo, Stephen Hawking usando uno de estos últimos enfoques sugirió que un [[agujero negro]] debería emitir cierta cantidad de radiación, efecto que se llamó radiación de Hawking y que aún no ha sido verificado empíricamente.
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Las razones de las dificultades de una teoría unificada son varias. La mayor de ellas es que en el resto de teorías cuánticas de campos la estructura del espacio-tiempo es fija totalmente independiente de la materia, pero en cambio, en una teoría cuántica de la gravedad el propio espacio-tiempo debe estar sujeto a principios probabilistas, pero no sabemos como describir un espacio de Hilbert para los diversos estados cuánticos del propio espacio-tiempo. Así La unificación de la fuerza gravitatoria con las otras fuerzas fundamentales sigue resistiéndose a los físicos. La aparición en el [[Universo]] de materia oscura o una aceleración de la expansión del Universo hace pensar que todavía falta una teoría satisfactoria de las interacciones gravitatorias completas de las partículas con masa.
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Otro punto difícil, es que de acuerdo con los principios cuánticos, el campo gravitatorio debería manifestarse en "cuantos" o partículas bosónicas transmisoras de la influencia gravitatoria. Dadas las características del campo gravitatorio, la supuesta partícula que transmitiría la interacción gravitatoria, llamada provisionalmente gravitón, debería ser una partícula sin masa (o con una masa extremadamente pequeña). Sin embargo, los experimentos de detección de ondas gravitatorias todavía no han encontrado evidencia de la existencia del gravitón, por lo que de momento no es más que una conjetura física que podría no corresponderse con la realidad.
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=== La interacción gravitatoria como fuerza fundamental ===
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La interacción gravitatoria es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, junto al electromagnetismo, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil. A diferencia de las fuerzas nucleares y a semejanza del electromagnetismo, actúa a grandes distancias. Sin embargo, al contrario que el electromagnetismo, la gravedad es una fuerza de tipo atractiva aunque existen casos particulares en que las geodésicas temporales pueden expandirse en ciertas regiones del espacio-tiempo, lo cual hace aparecer a la gravedad como una fuerza repulsiva, por ejemplo la energía oscura. Este es el motivo de que la gravedad sea la fuerza más importante a la hora de explicar los movimientos celestes.
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== Bibliografías ==
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*Halliday, David; Robert Resnick; Kenneth S. Krane (2001). Physics v. 1 (en inglés). Nueva York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-32057-9.
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*Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (en inglés) (6ª edición). Brooks/Cole. ISBN 0-534-40842-7.
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*Tipler, Paul Allen; Gene Mosca (2004). Physics for Scientists and Engineers: Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics (en inglés) (5ª edición). W.H. Freeman & Company. p. 650. ISBN 0-7167-0809-4.
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*Wald, Robert M. (1994). Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics (en inglés). Chicago University Press. p. 205. ISBN 0-226-87027-8.
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*Wald, Robert M. (1984). General Relativity (en inglés) (12ª edición). Chicago University Press. p. 491. ISBN 0-226-87033-2.
  
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La  relatividad general, en analogía con la radiación de energía electromagnética donde se requieren de dos polos eléctricos o magnéticos de magnitud igual, signo o polaridades opuestas y juntos dentro de un pequeñísimo espacio que inducen oscilaciones adelante atrás de los polos, predice que en las pulsares binarias si las estrellas están cerradamente juntas se empujan cada una a la otra y se comunican un movimiento oscilatorio orbital. Pero, mientras que en el electromagnetismo la oscilación es simétrica y las ondas electromagnéticas son esféricas, en la gravedad las ondas gravitatorias como las del mar no lo son por lo que se requiere de fuentes asimétricas que por lo menos constituyan un sistema de doble dipolo, denominado cuadrupolo. Este es el caso de las pulsares binarias con formas elipsoides y/u órbitas elípticas. En estas pulsares con la variación del tiempo se producen dentro del dipolo variaciones del centro de masas común del sistema, lo cual produce un cuadrupolo, que reúne la relación de la energía de cuatro momentos angulares no simétricos de dos masas.
 
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La radiación gravitatoria se origina en la perdida de energía mecánica, es decir, cinética y/o potencial, durante las aceleraciones no uniformes producidas en la materia dentro de la región. Durante la radiación gravitacional la masa de la partícula no cambia, de este supuesto se elimina la posibilidad que la partícula misma, o con su propia energía, contribuya para la radiación gravitacional. La energía perdida reaparece en las ondulaciones inducidas de la curvatura del espacio-tiempo. Debido al carácter continuo del espacio, la energía es transportada, desde las fuentes, a través de la propagación de las perturbaciones del espacio-tiempo, a las regiones asintóticas con relación a la región donde las ondas se producen. La emisión de estas ondas gravitatorias causaría cierta perdida del momento angular orbital. En efecto para la P5R1913+16 se observa el decaimiento leve de la órbita de acuerdo con la predicción einsteniana acerca de tal emisión gravitatoria, lo que constituye la única prueba indirecta acerca de su existencia.
 
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Estas ondas y su velocidad se espera se establezcan, en un futuro próximo, en los proyectos LIGO, de [[Estados Unidos]], GEO, de [[Alemania]], VIRGO, de [[Italia]]-[[Francia]] o TAMA del [[Japón]].
 
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== La radiación de las pulsares es realmente gravitatoria ==
 
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Sin embargo, el doctor [[Tom Van Flandern]] cree que las ondas radiadas por las pulsares binarias no son ondas gravitatorias sino alguna forma de electromagnetismo. Tom y el autor, además de otras razones físicas, consideran que la velocidad de las ondas gravitatorias es superluminal y no c, como consecuencia de la diferenciación cuantitativa que existe entre fenómenos cualitativamente distintos.
 
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Para la pulsar binaria Hulse-Taylor, PSR B1913+16, su rata de decaimiento orbital coincide por el predicho por la Relatividad General aunque el valor de esta rata realmente se encuentra por encima aproximadamente en el 0.3% del valor estimado.
 
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En las ecuaciones de estimación de la radiación gravitatoria de la Relatividad  General se asume el gravitón real con masa 0 a fin de hacer coincidir el pronóstico exactamente con el valor observado. Pero cuando se combinan las ratas de decaimiento orbital de las pulsares binarias PSR B1913+16 y PSR B1534+12 se obtiene que la masa relativista del gravitón real no es cero sino máximo menor que 1,35342 × 10−52 gramos, con un 90% de confianza. Este límite superior para la masa del gravitón real fue calculado, en el 2002, por Lee Samuel Finn y Patrick J. Sutton del Center for Gravitational Wave Physics, de la Universidad del Estado de Pensilvania, USA.
 
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Este valor de la supuesta masa relativista del gravitón real está muy cerca del valor del límite superior de la masa relativista del fotón real el cual es menor que 10-51  gramos, de acuerdo con su cálculo más reciente del 2003, realizado por Jun Luo y sus colegas en la Universidad Huazhong de ciencia y tecnología en Wuhan, China. Y muy lejos del valor límite superior de la masa del gravitón real menor que 4,5 × 10−66 gramos, estimada por S S Gershtein, A A Logunov y M A Mestvirishvili, en [[1997]], con base en los parámetros observados de la expansión del Universo.
 
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Si se asume que el verdadero valor de la masa del gravitón real es cerrado al del fotón real se tiene que en realidad la radiación de las estrellas binarias es radiación electromagnética, como lo ha sostenido Tom Van Flandern.
 
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Desde luego la verificación de todas las tesis de la Relatividad, que han sido sometidas a prueba, se ajustan de manera impresionante con los resultados de los experimentos, como sucede con la predicción acerca de la radiación gravitatoria por parte de un sistema de pulsar binaria, en particular delante de la pulsar PSR B1913+16 con un error de tan sólo el 0.3%. Pero, también es impresionante que este error pueda conducir al rechazo de la tesis de que dicha radiación es gravitatoria.
 
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== Fuentes ==
 
== Fuentes ==
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*[http://www.laflecha.net La flecha]
 
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*[http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=118&l=s Learning]
 
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*[http://es.thefreedictionary.com/gravedad Diccionario Libre]
 
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*[http://es.wikipedia.org/wiki/Gravedad Wikipedia]
 
  
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[[Category:física]]
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*[https://www.significados.com/gravedad/ Significados, Conceptos y Definiciones]
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*[https://spaceplace.nasa.gov/what-is-gravity/sp/ NASA Space Place]
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*[https://concepto.de/gravedad/ Diccionario de conceptos online con miles de definiciones]
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*[https://www.ign.es/web/resources/actividades/gravimetria/Conceptos.pdf/ Instituto Geográfico Nacional – España]
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*[https://revistadigital.uce.edu.ec/index.php/anales/article/download/1602/1543/6042/ Portal de Revistas – Universidad Central de Ecuador]
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*[https://www.fundacionaquae.org/que-cae-antes-al-suelo-un-libro-o-una-hoja-de-papel/ Fundación Aquae]
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[[Category:Geografía]]
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[[Category:Física]]
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[[Categoría:Artículos certificados]]

última versión al 09:42 4 ago 2021

Artículo certificado
 Este artículo ha sido certificado por la MSc. Mayra Arap Fresno, perteneciente a la Universidad Agraria de La Habana (UNAH).


Gravedad
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Concepto:Es un fenómeno natural por el cual los objetos con masa son atraídos entre sí.

Gravedad. Es un fenómeno natural por el cual los objetos con masa son atraídos entre sí, efecto mayormente observable en la interacción entre los planetas, galaxias y demás objetos del universo.

Ley de la Gravitación Universal de Newton

En la teoría newtoniana de la gravitación, los efectos de la gravedad son siempre atractivos, y la fuerza resultante se calcula respecto del centro de gravedad de ambos objetos (en el caso de la Tierra, el centro de gravedad es su centro de masas, al igual que en la mayoría de los cuerpos celestes de características homogéneas). La gravedad newtoniana tiene un alcance teórico infinito; la fuerza es mayor si los objetos están próximos pero a mayor distancia dicha fuerza pierde intensidad. Además Newton postuló que la gravedad es una acción a distancia (y por tanto a nivel relativista no es una descripción correcta, sino solo una primera aproximación para cuerpos en movimiento muy lento comparado con la velocidad de la luz).

Por ejemplo, usando la ley de la gravitación universal, podemos calcular la fuerza de atracción entre la Tierra y un cuerpo de 50 kg. La masa de la Tierra es 5,974 × 1024 kg y la distancia entre el centro de gravedad de la Tierra (centro de la tierra) y el centro de gravedad del cuerpo es 6378,14 km (igual a 6 378 140 m, y suponiendo que el cuerpo se encuentre sobre la línea del ecuador).

La fuerza con que se atraen la Tierra y el cuerpo de 50 kg es 490.062 N (Newtons, Sistema Internacional de Unidades), lo que representa 50 kgf (kilogramo-fuerza, Sistema Técnico), como cabía esperar, por lo que decimos simplemente que el cuerpo pesa 50 kg.

Dentro de esta ley empírica se encuentran importantes conclusiones:

  • Las fuerzas gravitatorias son siempre atractivas. El hecho de que los planetas describan una órbita cerrada alrededor del Sol indica este hecho. Una fuerza atractiva puede producir también órbitas abiertas, pero una fuerza repulsiva nunca podrá producir órbitas cerradas.
  • Tienen alcance infinito. Dos cuerpos, por muy alejados que se encuentren, experimentan esta fuerza.
  • La fuerza asociada con la interacción gravitatoria es central.
  • A mayor distancia menor fuerza de atracción, y a menor distancia mayor la fuerza de atracción.

A pesar de los siglos, hoy sigue utilizándose cotidianamente esta ley en el ámbito del movimiento de cuerpos incluso a la escala del sistema solar, aunque esté desfasada teóricamente. Para estudiar el fenómeno en su completitud hay que recurrir a la teoría de la Relatividad General.

Problema de los dos cuerpos y órbitas planetarias

La ley de Newton aplicada a un sistema de dos partículas o dos cuerpos, cuyas dimensiones físicas son pequeñas comparadas con las distancias entre ellos, lleva a que ambos cuerpos describirán una curva cónica (elipse, parábola o hipérbola) respecto a un sistema de referencia inercial con origen en el centro de masa del sistema, que además coincidirá con uno de los focos de la cónica. Si la energía total del sistema (energía potencial más energía cinética de los cuerpos) es negativa, entonces las curvas cónicas que dan la trayectoria de ambos cuerpos serán elipses. Ese resultado fue la primera deducción teórica de que los planetas reales se mueven en trayectorias que con bastante aproximación, son elipses, y permitió explicar diversas observaciones empíricas resumidas en las leyes de Kepler.

Problema de los tres cuerpos

De acuerdo con la descripción newtoniana, cuando se mueven tres cuerpos bajo la acción de su campo gravitatorio mutuo, como el sistema Sol-Tierra-Luna, la fuerza sobre cada cuerpo es justamente la suma vectorial de las fuerzas gravitatorias ejercidas por los otros dos. Así las ecuaciones de movimiento son fáciles de escribir pero difíciles de resolver ya que no son lineales. De hecho, es bien conocido que la dinámica del problema de los tres cuerpos de la mecánica clásica es una dinámica caótica.

Desde la época de Newton se ha intentado hallar soluciones matemáticamente exactas del problema de los tres cuerpos, hasta que a finales del siglo XIX Henri Poincaré demostró en un célebre trabajo que era imposible una solución general analítica (sin embargo, se mostró también que por medio de series infinitas convergentes se podía solucionar el problema). Solo en algunas circunstancias son posibles ciertas soluciones sencillas. Por ejemplo, si la masa de uno de los tres cuerpos es mucho menor que la de los otros dos (problema conocido como problema restringido de los tres cuerpos), el sistema puede ser reducido a un problema de dos cuerpos más otro problema de un solo cuerpo.

Teoría general de la relatividad

Albert Einstein revisó la teoría newtoniana en su teoría de la relatividad general, describiendo la interacción gravitatoria como una deformación de la geometría del espacio-tiempo por efecto de la masa de los cuerpos; el espacio y el tiempo asumen un papel dinámico.

Según Einstein, no existe el empuje gravitatorio; dicha fuerza es una ilusión, un efecto de la geometría. Así, la Tierra deforma el espacio-tiempo de nuestro entorno, de manera que el propio espacio nos empuja hacia el suelo. Una hormiga, al caminar sobre un papel arrugado, tendrá la sensación de que hay fuerzas misteriosas que la empujan hacia diferentes direcciones, pero lo único que existe son pliegues en el papel, su geometría.

La deformación geométrica viene caracterizada por el tensor métrico que satisface las ecuaciones de campo de Einstein. La "fuerza de la gravedad" newtoniana es solo un efecto asociado al hecho de que un observador en reposo respecto a la fuente del campo no es un observador inercial y por tanto al tratar de aplicar el equivalente relativista de las leyes de Newton mide fuerzas ficticias dadas por los símbolos de Christoffel de la métrica del espacio-tiempo.

La gravedad convencional de acuerdo con la teoría de la relatividad tiene generalmente características atractivas, mientras que la denominada energía oscura parece tener características de fuerza gravitacional repulsiva, causando la acelerada expansión del universo.

Ondas gravitatorias

Además, la relatividad general predice la propagación de ondas gravitatorias. Estas ondas solo podrían ser medibles si las originan fenómenos astrofísicos violentos, como el choque de dos estrellas masivas o remanentes del Big Bang. Estudios preliminares sugieren que estas ondas han sido finalmente detectadas de forma indirecta en la variación del periodo de rotación de púlsares dobles, y según el proyecto LIGO, también se detectaron provenientes de la unión de dos agujeros negros. Por otro lado, las teorías cuánticas actuales apuntan a una "unidad de medida de la gravedad", el gravitón, como partícula que provoca dicha "fuerza", es decir, como partícula asociada al campo gravitatorio.

Efectos gravitatorios

Con la ayuda de esta nueva teoría, se pueden observar y estudiar una nueva serie de sucesos antes no explicables o no observados:

  • Desviación gravitatoria de luz hacia el rojo en presencia de campos con intensa gravedad: la frecuencia de la luz decrece al pasar por una región de elevada gravedad. Confirmado por el experimento de Pound y Rebka (1959).
  • Dilatación gravitatoria del tiempo: los relojes situados en condiciones de gravedad elevada marcan el tiempo más lentamente que relojes situados en un entorno sin gravedad. Demostrado experimentalmente con relojes atómicos situados sobre la superficie terrestre y los relojes en órbita del Sistema de Posicionamiento Global (GPS por sus siglas en inglés). También, aunque se trata de intervalos de tiempo muy pequeños, las diferentes pruebas realizadas con sondas planetarias han dado valores muy cercanos a los predichos por la relatividad general.
  • Efecto Shapiro (dilatación gravitatoria de desfases temporales): diferentes señales atravesando un campo gravitatorio intenso necesitan mayor tiempo para hacerlo.
  • Decaimiento orbital debido a la emisión de radiación gravitatoria. Observado en púlsares binarios.
  • Precesión geodésica: debido a la curvatura del espacio-tiempo, la orientación de un giroscopio en rotación cambiará con el tiempo. Esto está siendo puesto a prueba por el satélite Gravity Probe B.

Búsqueda de una teoría unificada

Aunque aún no se dispone de una auténtica descripción cuántica de la gravedad. Todos los intentos por crear una teoría física que satisfaga simultáneamente los principios cuánticos y a grandes escalas coincida con la teoría de Einstein de la gravitación, han encontrado grandes dificultades. En la actualidad existen algunos enfoques prometedores como la gravedad cuántica de bucles, la teoría de supercuerdas o la teoría de twistores, pero ninguno de ellos es un modelo completo que pueda suministrar predicciones suficientemente precisas. Además se han ensayado un buen número de aproximaciones semiclásicas que han sugerido nuevos efectos que debería predecir una teoría cuántica de la gravedad. Por ejemplo, Stephen Hawking usando uno de estos últimos enfoques sugirió que un agujero negro debería emitir cierta cantidad de radiación, efecto que se llamó radiación de Hawking y que aún no ha sido verificado empíricamente.

Las razones de las dificultades de una teoría unificada son varias. La mayor de ellas es que en el resto de teorías cuánticas de campos la estructura del espacio-tiempo es fija totalmente independiente de la materia, pero en cambio, en una teoría cuántica de la gravedad el propio espacio-tiempo debe estar sujeto a principios probabilistas, pero no sabemos como describir un espacio de Hilbert para los diversos estados cuánticos del propio espacio-tiempo. Así La unificación de la fuerza gravitatoria con las otras fuerzas fundamentales sigue resistiéndose a los físicos. La aparición en el Universo de materia oscura o una aceleración de la expansión del Universo hace pensar que todavía falta una teoría satisfactoria de las interacciones gravitatorias completas de las partículas con masa.

Otro punto difícil, es que de acuerdo con los principios cuánticos, el campo gravitatorio debería manifestarse en "cuantos" o partículas bosónicas transmisoras de la influencia gravitatoria. Dadas las características del campo gravitatorio, la supuesta partícula que transmitiría la interacción gravitatoria, llamada provisionalmente gravitón, debería ser una partícula sin masa (o con una masa extremadamente pequeña). Sin embargo, los experimentos de detección de ondas gravitatorias todavía no han encontrado evidencia de la existencia del gravitón, por lo que de momento no es más que una conjetura física que podría no corresponderse con la realidad.

La interacción gravitatoria como fuerza fundamental

La interacción gravitatoria es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, junto al electromagnetismo, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil. A diferencia de las fuerzas nucleares y a semejanza del electromagnetismo, actúa a grandes distancias. Sin embargo, al contrario que el electromagnetismo, la gravedad es una fuerza de tipo atractiva aunque existen casos particulares en que las geodésicas temporales pueden expandirse en ciertas regiones del espacio-tiempo, lo cual hace aparecer a la gravedad como una fuerza repulsiva, por ejemplo la energía oscura. Este es el motivo de que la gravedad sea la fuerza más importante a la hora de explicar los movimientos celestes.

Bibliografías

  • Halliday, David; Robert Resnick; Kenneth S. Krane (2001). Physics v. 1 (en inglés). Nueva York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-32057-9.
  • Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (en inglés) (6ª edición). Brooks/Cole. ISBN 0-534-40842-7.
  • Tipler, Paul Allen; Gene Mosca (2004). Physics for Scientists and Engineers: Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics (en inglés) (5ª edición). W.H. Freeman & Company. p. 650. ISBN 0-7167-0809-4.
  • Wald, Robert M. (1994). Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics (en inglés). Chicago University Press. p. 205. ISBN 0-226-87027-8.
  • Wald, Robert M. (1984). General Relativity (en inglés) (12ª edición). Chicago University Press. p. 491. ISBN 0-226-87033-2.

Fuentes

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