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Gravedad, una fuerza fundamental

Gravedad, una fuerza fundamental

Oscar Fernandez
Oscar Fernandez
7 minutos de lectura

Masa vs Peso

Como comenzar a explicarte una de las fuerzas que hizo que Albert Einstein tuviera que desarrollar el concepto de espacio-tiempo, ya se, ¿sabes la diferencia entre masa y peso?

-Hoy ni buenos días ni nada, ¿no tendrás prisa?

¿Cómo? no, tienes razón, buenos días y disculpa, supongo que ha sido la confianza.

-Ja, ja, ja, ja, tranquilo y a tu pregunta te diré, la masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo, mientras que el peso es variable según donde la pesemos.

Exacto, la masa es la cantidad de materia de un cuerpo, el peso es la aceleración de esa masa, dentro de un cuerpo, más fácil, si pesas por ejemplo 50Kg, en la luna tu peso seria 8.27 kg, si lo comparamos con lo que pesarías en Marte solo 19Kg, por supuesto esta diferencia se debe a un factor, a una de nuestras fuerzas fundamentales según la física cuántica, la gravedad y la gravedad depende del planeta donde nos pesemos.

La gravedad de Isaac Newton

Imagen de Isaac Newton

En las memorias de la vida de sir Isaac Newton un amigo suyo nos relata la siguiente escena:

Tras la cena, con clima agradable, salimos al jardín él "Newton" y yo a tomar el té a la sombra de unos manzanos. En la conversación me dijo que estaba en la misma situación que cuando le vino a la mente la primera vez la idea de la gravitación. La origino la caída de una manzana, mientras estaba sentado, reflexionando. Pensó para sí, ¿por qué tiene que caer siempre perpendicular al suelo? ¿por qué no cae hacia arriba o hacia un lado, y no siempre hacia el centro de la tierra? La razón tiene que ser que la Tierra la atrae. Debe haber una fuerza de atracción de la materia de la Tierra debe estar en el centro de la Tierra, y no en otro lado. Por esto la manzana cae perpendicularmente al, hacia el centro. Por tanto, si la materia atrae a la materia, debe ser en proporción a su cantidad "la masa". La manzana atrae a la Tierra tanto como la Tierra atrae a la manzana. Hay una fuerza, la que aquí llamamos gravedad, que se extiende por todo el universo.

De aquí podemos obtener la certeza de que no es una invención, como algunos aseguran (la manzana existió), seguramente porque no se especifica, no le cayó en la cabeza, una vez más nos demuestra que la curiosidad y la imaginación de una sola persona, insignificante para el universo pueden cambiar el curso de una historia, y vaya si lo hizo.

Esta idea de la manzana hizo reflexionar a Newton sobre el movimiento de los planetas en torno al sol, " la gravedad es una fuerza instantánea" , pensaba Newton, es decir que todo cuerpo que estuviera junto a otro experimentaría una atracción instantánea sin que haya contacto entre los dos cuerpos, se aprovechó de los estudios de otros físicos como Copérnico, Tycho Brahe, Galileo y más y llego a la conclusión de que la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos tenía que ser proporcional al producto de sus masas dividida por la distancia entre ellos al cuadrado y a la constante de proporcionalidad la llamo G.

Hoy día se sigue utilizando para calcular operaciones espaciales
Ecuación de Isaac Newton

-La verdad, si te pones a pensar como estas mentes, Newton, Copérnico, Einstein...  dedujeron las fórmulas y las teorías que hoy día se siguen utilizando, quedas completamente sorprendido, anonadado, flipando, del poder de la curiosidad e imaginación.

Y de la diversión, amigo mío, recuerda nuestra formula preferida.

Nuestra formula

La pregunta quizás más importante es, ¿que crea la gravedad?, Newton lo tenía claro no lo sabe, la divinidad, dijo finalmente.

Pero no hay que tenerle en cuenta esa respuesta, piensa que, gracias a él, conocemos las orbitas de los planetas con gran precisión y habéis conseguido viajar al espacio, a Venus, la luna y pronto llegareis en persona a Marte.

La gravedad de Albert Einstein

Posiblemente indispensable para la historia del hombre.
Genio y humano, aunque no lo parezca

No hace falta presentar a este imaginativo y curioso señor, Einstein revoluciono, no solo su tiempo si no el nuestro y nuestro espacio, ponerse en lugar de este genio es, si cabe complicado, pero para intentar entender su lógica vamos a recordar su razonamiento, nada puede moverse más rápido que la luz, teoría de la relatividad.

En uno de sus experimentos mentales, Einstein se imaginaba la desaparición del Sol, que sucedería en ese preciso momento, sabemos que la luz viaja a unos 300.000 Km/s, la luz del Sol nos tarda en llegar a la Tierra 8 min, ya sé que parece, pero coge un cronometro y míralo durante esos 8 min, veras como no parece tan poco.

-Ya lo creo, pensar ese experimento es cómo mínimo curioso, pero ¿qué quería conseguir? 🤔

El que parece que tiene prisa hoy eres tú, ja, ja, ja, mi madre siempre me dice que "la paciencia es la madre de las ciencias" quizás deberíamos sumarla a nuestra formula 🤔😛

El experimento significa que aunque desapareciera el Sol, en la tierra continuaría con luz durante esos 8 mín. Einstein este hecho no le preocupaba porque ya lo sabía, pero lo que si le preocupaba era que la Tierra ya no sufriría la atracción gravitatoria del Sol y saldría disparada como una piedra en la honda de David, (David vs Goliat), al instante, eso le preocupaba a Einstein, porque si esto fuera así significaría  que Newton estaba equivocado o que su teoría de la relatividad y que nada es más rápido que la luz era errónea.

La gravedad no es una fuerza es una deformación del espacio-tiempo
Representación de la curva espacio-temporal generada por la masa terrestre

Con esta ilustración vamos directos al grano, Einstein estuvo devanándose la cabeza durante mucho tiempo hasta que advirtió que las trayectorias en el espacio-tiempo de cuerpos bajo la fuerza de la gravedad son líneas curvas y no rectas, así la gravedad según Einstein no es una fuerza si no una deformación en el espacio tiempo, no una energía si no un efecto geométrico.

A mayor masa mayor es la deformación que se crea, si añadimos la gravedad las líneas son rectas, pero el espacio-tiempo es curvo, disculpa que insista tanto en la curvatura, pero hay reside toda su explicación.

El caso más extremo el de los agujeros negros.

La densidad puede llegar a infinito
NASA agujero Negro

En este ejemplo la densidad y la curvatura pueden llegar a ser infinitos.

Se ha podido comprobar que Newton estaba equivocado y la gravedad no es instantánea, si no que viaja a la velocidad de la luz otro gran ejemplo es la detección de ondas gravitacionales en un evento donde se han fusionado estrellas binarias de neutrones.

NASA fusión estrellas binarias 

La gravedad cuántica

El problema que Albert no conseguía comprender era a nivel cuántico, la relatividad no puede explicar la gravedad a ese nivel, ¿por qué los átomos que por sí solo tienen poca masa y están casi vacíos en su interior pueden deformar el espacio-tiempo?

-En esta pregunta si que veo problemas, por lo que se los físicos de nuestro tiempo no se ponen de acuerdo, 🤔 más que nada porque de momento solo hay teorías que sepamos.

Si para discutir sobre tas teorías del todo, que engloben tanto a la relatividad general como la mecánica cuántica necesitamos mucho más tiempo, pero te hablare de una teoría de momento, el Gravitón.

representación hipotética de la partícula gravitón

Es posible que todas las fuerzas que vemos en la naturaleza realmente sean diferentes caras, diferentes espejos, de una misma moneda, de un mismo reflejo, el gravitón sería una partícula teórica, relacionada con la gravedad, sin masa que viajan a la velocidad de la luz transportando la gravedad y curvando el tejido-tiempo, recuerda que es todo hipotético ya que de momento esta partícula no se ha encontrado.

Como te decía para hablar de las teorías que unen a todo debería hablar otro día, pero te nombrare dos teorías para explicar la gravedad, teoría de cuerdas y la teoría de bucles, la más "avanzada" seria la teoría de cuerdas.

Lo que nos dice la teoría de cuerdas es que las partículas subatómicas que parecen objetos puntuales en realidad no lo son y son una forma de estado vibratorio de un objeto más extenso llamado cuerda, hay que tener también en cuenta que no hay solamente una teoría de cuerdas.

La base es sencilla en sí, la teoría de cuerda es un filamento que según como vibre crea una partícula u otra y explican como las partículas interaccionan y de una de estas interacciones se crearía el Gravitón.

-Vale, si lo he entendido, Newton nos dice cómo afecta la gravedad al movimiento de los cuerpos, pero no que es la gravedad, Einstein completa el movimiento de los cuerpos de Newton según su masa y crea el concepto de espacio-tiempo, o sea la curvatura que crean los cuerpos y nos dice que eso es la gravedad y por ultimo para poder juntar la gravedad al resto de fuerzas fundamentales, ( fuerza nuclear débil, nuclear fuerte, electromagnetismo) teorizan con unas partículas para que tanto la ley de la relatividad como la mecánica cuántica puedan estar de acuerdo y ser correctas las dos.

Es un perfecto mini resumen lo que me acabas de decir, solo me queda darte la enhorabuena y decirte que seguiremos hablando el próximo día de más mecánica cuántica, prometido😉.