Qué es la gravedad, la fuerza que crea las galaxias

Introducción

No somos conscientes, pero la gravedad nos condiciona y define la forma de interactuar con nuestro mundo. Por consiguiente, nuestro cuerpo crece y desarrolla bajo el efecto continuado de la fuerza de la gravedad. La gravedad nos condiciona, pero ¿qué es exactamente?

En primer lugar, la gravedad es simplemente la atracción mutua entre dos cuerpos de materia con masas cualesquiera. Por lo tanto, es la fuerza que le permite al Sol mantener a los planetas en sus órbitas, y la fuerza que nos mantiene de pie sobre Tierra. Pero la simplicidad de la gravedad es solo una apariencia que esconde un fenómeno profundamente complejo.

El espacio vacío del Universo, no impide que la gravedad tire de la materia para formar estrellas, galaxias, cúmulos y agujeros negros. Sin embargo, a pesar de su alcance infinito, la gravedad es la más débil de todas las fuerzas en el universo.

La fuerza que ha creado las galaxias

La gravedad es una de las cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan el universo, junto con el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Una fuerza se define como una interacción que cambia el movimiento de un objeto. Estas cuatro fuerzas son la base de toda la física y deberían permitir predecir el comportamiento dinámico cómo de todos los objetos presentes en el universo. Desde el movimiento de los cúmulos de galaxias hasta los enlaces que unen a los quarks dentro de un protón o neutrón.

Existe un presentimiento que nos induce a pensar que la gravedad está vinculada a unas partículas diminutas, sin masa, llamadas gravitones que son las que producen los campos gravitacionales. Cada hipotético gravitón tira de cada elemento con materia en el universo. La interacción es tan rápida como lo permita la velocidad de la luz. Sin embargo, si son tan comunes en el universo, por qué no las hemos encontrado todavía. Podemos detectar partículas sin masa, como los fotones, pero los gravitones no. Simplemente no sabemos cómo detectarlos.

Parece ciencia ficción. Sin embargo, en teoría, deberíamos poder detectar los gravitones individuales.

La idea clásica: la gravitación universal de Newton

La gravedad es siempre una fuerza atractiva, y la fuerza de la fuerza entre dos masas depende inversamente del cuadrado de sus distancias, lo que la convierte en una fuerza cuadrada inversa.

Newton, quien se dio cuenta de que debe haber una fuerza que actúe entre los planetas y el Sol. La ecuación propuesta para describir el comportamiento de esta fuerza fue revolucionaria.

F = G x ( M₁xM₂) / r²

La ecuación ajusta la gravedad a una fuerza que dos objetos con masa ejercen uno sobre otro. La fuerza de la fuerza (F) es proporcional a las masas de los dos objetos (M₁ y M₂) divididos por el cuadrado de la distancia entre ellos (r). La G es una constante que mide la fuerza básica de la fuerza.

Es decir cuanto mayor sean las masas de objetos, mayor es la fuerza de atracción entre ellos, pero cuanto más separados estén, más débil es la atracción.

Crítica al modelo de Isaac Newton

Por desgracia este modelo no explica cómo la gravedad actúa a distancia. Nos preguntamos ¿Cómo la Luna «detecta» la presencia de la Tierra y «sabe» que se va a tirar en dirección a la Tierra? Se propusieron algunas ideas, pero en realidad nunca se llevaron a cabo.

Finalmente el problema de la acción de la gravedad a distancia se olvidó conscientemente porque en gran medida desvirtuaba el simple y genial modelo newtoniano. Independientemente de cómo las masas se detectaron unas a otras, el modelo de Newton permitió calcular las trayectorias de los astros con gran precisión.

También el modelo tiene limitaciones para predecir el movimiento de 3 astros que mutuamente interactúan entre ellos. Mientras que el movimiento de dos masas cualquiera es directo; el movimiento de tres o más masas era imposible de calcular con exactitud.

Las trayectorias se pueden aproximar pero sin gran precisión. Gracias a este modelo permitió inferir la existencia de Neptuno. Pero nunca se encontraría una solución exacta y general para tres masas. La idea de Newton era simple, pero su aplicación era compleja.

Pero la ecuación no describe perfectamente todo lo que vemos, por ejemplo, el tamaño de ciertos cambios graduales en la órbita de Mercurio alrededor del Sol.

¿Pero entonces cómo podría la fuerza de la gravedad manifestarse instantáneamente a una distancia incluso a través del vacío del espacio?

La teoría de la relatividad general de Einstein.

En el universo de Newton, el espacio es un lugar plano y vacío donde se mueven objetos como las estrellas y los planetas. El enfoque de Einstein fue completamente diferente.

Por consiguiente, el modelo de Einstein, la gravedad no es una fuerza. Es una afortunada deformación del espacio/tiempo. Es decir, la masa produce en el espacio su deformación; y es entonces el espacio le dice a la masa cómo debe moverse. La relatividad general hace predicciones únicas sobre el comportamiento de la luz y la materia, que son diferentes de las predicciones de la gravedad como fuerza. El espacio realmente es curvo y, como resultado, los objetos se desvían de un camino recto de una manera que parece una fuerza.

Todo empezó cuando Einstein demostró que el espacio y el tiempo no son entidades separadas sino un continuo. El espacio se extiende por el universo como un tejido continuo. Cualquier objeto con masa, deforma el tejido del espacio-tiempo y produce curvaturas y distorsiones.

La teoría de la relatividad por lo tanto, describe la gravedad no solo como una fuerza, sino que es la geometría del tejido espacio-tiempo, distorsionada por la materia, la que dirige y condiciona el movimiento de los objetos que viajan por el espacio

A diferencia de la teoría de Newton, la relatividad general nos describe correctamente la órbita cambiante de Mercurio teniendo en cuenta las perturbaciones del espacio-tiempo causadas por la masa del Sol.

Evidencias modelo relatividad

Describe correctamente la trayectoria curva de la luz cuando pasa alrededor del Sol y de los cúmulos de galaxias distantes. Las masas deforman el espacio, y cuando la luz pasa a su lado, sigue el camino marcado por los contornos del espacio-tiempo.

También se han detectado ondas gravitacionales. Lo que evidencia que la masa de los objetos no solo distorsionan el espacio-tiempo, sino que también pueden crear ondas cuando dos objetos como los agujeros negros chocan violentamente.

Newton y Einstein

Pero la verdad es que a pesar de las geniales y brillantes teorías de Newton y Einstein todavía no sabemos qué es la gravedad en realidad. Es debido a que los modelos de gravedad de Newton y de Einstein son de naturaleza clásica.

Seguramente no todos sabemos que los objetos tienen propiedades cuánticas, con comportamientos dual de partícula y de onda. Pero cuando intentamos aplicar la teoría cuántica a la gravedad, los resultados son confusos.

En conclusión, la mayoría de las teorías cuánticas, los objetos cuánticos existen dentro de un marco de fondo de espacio y tiempo. Dado que la gravedad es una propiedad del espacio-tiempo, la evaluación rigurosa de la gravedad requeriría una cuantificar del espacio y el tiempo. Existen varios modelos que intentan esto, pero ninguno de ellos ha alcanzado un modelo completamente cuántico.

Agujeros negros y el Big Bang

Pero la realidad es que podemos describir con precisión los movimientos de las estrellas y los planetas. Las predicciones aparentemente extrañas, como los agujeros negros y el Big Bang, han sido inferidas mediante la observación. Por consiguiente los objetos grandes con gravedad fuerte pueden describirse muy bien mediante la gravedad clásica. Pero afortunadamente para objetos pequeños con gravedad débil, nuestra gravedad cuántica aproximada es lo suficientemente buena. El problema surge cuando queremos describir objetos pequeños con una fuerte gravedad, como los agujeros negros o los primeros momentos del Big Bang.