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Home Aula Abierta Cómo podemos saber que la gravedad no es sólo una fuerzaLuces Brillante Comercial Techo 100w Ufo Iluminación Lámpara De Led 500w 200w 300w 50w Iluminación Bahía Cristal Almacén techo rdoeQCBWxE

Cómo podemos saber que la gravedad no es sólo una fuerza

DIVULGACIÓN

Ilustración de un sistema binario que irradia ondas gravitatorias (ESO/L. Calçada)

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Cuando pensamos en la gravedad, en general creemos que se trata de una fuerza entre masas, pero por ejemplo, cuando avanzas un paso más en la escala, el valor de esa escala representa la atracción que la gravedad de la Tierra ejerce sobre esa masa, dándole el peso. Es fácil de imaginar que la fuerza gravitatoria del Sol es la que mantiene a los planetas en sus órbitas o la atracción gravitatoria de un agujero negro. Las fuerzas resultan fáciles de comprender como un tira y empuja.

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Pero actualmente comprendemos que la gravedad como fuerza constituye  sólo una parte de un fenómeno más complejo descrito en la Teoría General de la Relatividad. Mientras que la Relatividad General es una teoría elegante, representa un cambio radical acerca de la idea de la gravedad como fuerza. Carl Sagan dijo una vez, “afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias “,  y la teoría de Einstein es una afirmación muy extraordinaria, pues resulta que existen experimentos que confirman la curvatura del espacio y el tiempo.

La clave de la Relatividad General reside en el hecho de que todo lo que se encuentre en un campo gravitatorio cae a la misma velocidad. Sitúese en la Luna y deje caer un martillo y una pluma, ambos llegarán a la superficie al mismo tiempo. Esto mismo es cierto para cualquier objeto independientemente de su masa, composición o naturaleza física, hecho que se conoce como “principio de equivalencia”.

Puesto que todos los cuerpos caen del mismo modo independientemente  de su masa, esto quiere decir que, sin algún punto externo de referencia, un observador capaz de desplazarse libremente y alejado de cualquier atracción gravitatoria  y un observador en caída libre en un campo gravitatorio de un cuerpo masivo, experimentarán el mismo efecto. Por ejemplo, los astronautas en la estación espacial parecerán como si flotaran sin la acción de la gravedad. En realidad, la atracción gravitatoria de la Tierra ejercida sobre la estación espacial es casi tan fuerte como lo es en la superficie. La diferencia radica en que la estación espacial (y todo su contenido) se encuentra en caída libre. La estación espacial está en órbita, lo que literalmente significa que está cayendo continuamente alrededor de la Tierra.

La Estación Espacial Internacional orbitando la Tierra (NASA)

Esta equivalencia entre mantenerse flotando o cayendo, es lo que Einstein utilizó para desarrollar su teoría. En la Relatividad General la gravedad no es la fuerza ejercida entre masas, es un efecto de la curvatura del espacio y del tiempo en presencia de una masa. Sin una fuerza que actuará sobre él, un objeto se movería en línea recta. Si se traza una línea en una hoja de papel y acto seguido lo tuerce o lo dobla, la línea no parecerá recta. De mismo modo, la trayectoria recta de un objeto es curvada cuando se curva el espacio y el tiempo. Esto explica por qué todos los cuerpos caen a la misma velocidad. La gravedad deforma el espacio-tiempo de una manera particular por lo que las trayectorias rectas de todos los cuerpos se curvan del mismo modo en las proximidades de la Tierra.Viento Mesa Para Cálido Lámpara Clásico Iluminación Luz La Frío nkNwX80OP

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Entonces, ¿ qué clase experimento podría demostrar que es la gravedad la que está deformando el espacio-tiempo¿. Uno procede del hecho de que la luz puede ser curvada por una masa que se encuentre en sus proximidades. A menudo se argumenta que, dado que la luz carece de masa, no debería ser desviada por la fuerza gravitatoria de un cuerpo, aunque esto no sea absolutamente correcto. Dado que la luz posee una cierta energía y puesto que, según la Teoría de la Relatividad, la masa y la energía son equivalentes, la teoría gravitatoria de Newton predice que la luz se debe desviar ligeramente por una masa cercana. La diferencia radica en que la Relatividad General predice que será desviada el doble como mucho.

Descripción del experimento de Eddington en el London News (1919)

Ese efecto fue observado por vez primera por Arthur Eddington en 1919. Edddington viajó hasta la isla de Principe en la costa de África occidental para fotografiar un eclipse total. Él había tomado fotografías de la misma región del cielo en momentos anteriores. Mediante la comparación de las fotos antes y después del eclipse de la misma región celeste, Eddington fue capaz de mostrar la posición aparente de las estrellas desplazadas cuando el Sol se encontraba en sus proximidades. El valor desviado estaba de acuerdo con Einstein y no con Newton. Desde entonces se ha podido observar un efecto similar en la que la luz procedente de cuásares y galaxias lejanas es desviada por masas próximas a la misma. A menudo, se hace referencia a éste efecto como lente gravitatoria y se ha utilizado para medir las masas de las galaxias e incluso evaluar los efectos de la materia oscura.

Se conoce otra prueba como, experimento de tiempo de retardo. La masa del Sol curva el espacio cerca de él, por lo tanto la luz en sus proximidades no sigue una línea recta perfecta. En su lugar sigue una trayectoria ligeramente curvada que es un poco más larga. Esto significa que la luz de otro planeta situado en el lado opuesto a la Tierra en el Sistema Solar nos llega un poco más tarde de lo que se podría esperar. La primera medición de éste retardo fue realizado a finales de 1960 por Irwin Shapiro. Señales de radio emitidas en la Tierra fueron reflejadas en Venus cuando ambos planetas casi se encontraban  en lados opuestos del Sol. El retraso medido de ida y vuelta de las señales era de unos 200 microsegundos tal y como predice la Teoría General de la Relatividad. Este efecto se conoce actualmente como tiempo de retraso de Shapiro y significa que el promedio de la velocidad de la luz (tal como se determina por la duración del viaje)  es ligeramente más lento que la (siempre constante) velocidad instantánea de la luz.

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Un tercer efecto lo constituyen las ondas gravitatorias. Si las estrellas deforman el espacio que les rodea, entonces el movimiento de ellas en un sistema binario debería crear ondulaciones en el espacio-tiempo, de manera similar a las que se forman cuando introducimos un dedo en la superficie del agua. Conforme las ondas de gravedad se irradian desde las estrellas, sustraen algo de energía del sistema binario. Esto significa que las dos estrellas se irán acercando progresivamente describiendo una espiral y en consecuencia su periodo orbital se irá acortando debido a que sus órbitas  van siendo progresivamente más pequeñas.

Disminución del periodo de un pulsar comparado con la predicción (curva de trazos). Datos de Hulse y Taylor representados por el autor

Para en las estrellas binarias regulares éste efecto es tan pequeño que no podemos observarlo, sin embargo, en 1974 dos astrónomos Hulse y Taylor descubrieron un pulsar interesante. Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente y emiten pulsos de radio en nuestra dirección. La frecuencia de su pulso normalmente es muy, muy regular. Hulse y Taylor observaron que la frecuencia de éste pulsar en concreto se aceleraba levemente para disminuir posteriormente a un ritmo regular y mostraron que ésta variación era debida al movimiento del pulsar puesto que orbitaba a una estrella. Ellos fueron capaces de determinar el movimiento orbital del púlsar con mucha precisión, con una fracción de segundo. Puesto que estuvieron observando el pulsar durante varios años, se percataron de que su periodo orbital se iba haciendo progresivamente más corto, la espiral del púlsar se acortaba debido a la emisión de ondas de gravedad, tal y como estaba previsto.

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Ilustración de la sonda Gravity Probe B (Equipo de la sonda, Stanford. NASA)

En definitiva, existe un efecto conocido de arrastre que también lo hemos observado en las proximidades de la misma Tierra. Debido a que la Tierra gira, no solo curva el espacio-tiempo debido a su masa sino también tuerce el espacio-tiempo a su alrededor debido a esta rotación. Esta torsión del espacio-tiempo se conoce como “efecto de torsión por arrastre”. El efecto no es muy acentuado en las proximidades de la Tierra, pero se puede medir a través del efecto de precesión Lense-Thirring. Básicamente, si se situara en órbita un giróscopo y se observara si su eje de rotación cambia de orientación, si no se produjera, entonces podemos afirmar que no existe torsión por arrastre, pero en caso afirmativo, entonces la torsión en espiral del espacio-tiempo hará que se produzca una precesión en el giróscopo, con lo que su orientación iría cambiando lentamente con el tiempo.

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Resultados de la sonda Gravity Probe B (equipo de la Gravity Probe B. NASA)

Verdaderamente hemos hecho este experimento con el satélite conocido como Gravity Probe B, y se pueden observar los resultados en ésta figura que como se puede apreciar, concuerdan muy bien.

Cada uno de estos experimentos demuestran que la gravedad no es simplemente una fuerza que se ejerce entre masas. La gravedad es más bien un efecto sobre el espacio-tiempo. La gravedad se encuentra integrada en la propia forma del Universo.

Piensa en esto la próxima vez que te subas a una báscula.

 

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