CIENCIA. Las cuatro fuerzas del universo: (I) Fuerza gravitatoria

Fuerza gravitatoria, fuerzas del universo

También llamada gravitación, en Mecánica, la gravedad es una de las 4 fuerzas fundamentales del universo. Es la responsable de la atracción que actúa entre la materia. 

Es, con mucho, la fuerza más débil conocida en la naturaleza y, por tanto, no juega ningún papel en la determinación de las propiedades internas de la materia. Por otro lado, tiene un largo alcance y controla las trayectorias de los cuerpos dentro del sistema solar, en el universo y en las estructuras y evolución de las estrellas, galaxias y todo el cosmos. 

En la Tierra, todos los cuerpos tienen un peso, o fuerza de gravedad descendente, proporcional a su masa, que se ve atraída y afectada por la misma masa de la tierra. La gravedad se mide por la aceleración que alcanzan los objetos que caen libremente. En la superficie de la Tierra la aceleración de la gravedad es de unos 9,8m/s. Es decir, por cada segundo que un objeto está en caída libre, su velocidad aumenta 9,8 metros por segundo, aproximadamente.

TEORÍA GRAVITACIONAL
    Los trabajos de Isaac Newton y Albert Einstein dominan el desarrollo de la teoría gravitacional. La teoría gravitacional clásica de Newton se mantuvo desde su publicación en 1687 hasta el trabajo de Einstein a comienzos del siglo XX. La teoría clásica de Newton basta hoy para explicar la mayor parte de las interacciones gravitatorias, a excepción de aquellas que requieren de una precisión espacial. La teoría de la relatividad general de Einstein establece pequeños cambios en la teoría newtoniana.

"Cada partícula de materia en el universo atrae a todas las demás partículas con una fuerza que es directamente proporcional al producto de las masas de las partículas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.

Es significativo observar que la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los objetos. A medida que los objetos se separan, la fuerza de la gravedad cae muy rápidamente.

Newton argumentó que los movimientos de los cuerpos celestes y la caída libre de objetos en la Tierra están determinados por la misma fuerza.  Los filósofos griegos clásicos, por otro lado, no consideraban que los cuerpos celestes fueran afectados por la gravedad, porque en sus observaciones, los cuerpos seguían trayectorias no descendentes perpetuamente repetidas en el cielo.  

En 1687, Newton introdujo las tres leyes del movimiento en su libro "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" (Principios matemáticos de la filosofía natural), que generalmente se conoce como los "Principia". Aquí es donde también introdujo su teoría de la gravitación universal, sentando así los cimientos de la mecánica clásica en un solo volumen. Enoch/Seeman Art Images/Getty Images

 Así, Aristóteles creía que cada cuerpo celestial seguía un movimiento “natural” particular, no afectado por agentes externos. También postulaba que los objetos terrenales masivos poseen una tendencia natural a moverse hacia el centro de la Tierra. Estos conceptos aristotélicos prevalecieron durante siglos junto con otros dos: que un cuerpo que se mueve a velocidad constante requiere de una fuerza continua que actúe sobre él, y que la fuerza debe aplicarse por contacto en lugar de por interacción a distancia. 

 Estas ideas se mantuvieron hasta el siglo XVI y principios del XVII. Todo comenzó a cambiar con varias contribuciones científicas al problema del movimiento terrestre y celeste, que, a su vez, preparó el camino para la posterior teoría gravitacional de Newton.

 El astrónomo alemán del siglo XVII, Johannes Kepler, aceptó el argumento de Nicolás Copérnico de que los planetas orbitaban alrededor del Sol y no de la Tierra. Utilizando medidas mejoradas de los movimientos planetarios realizados por el astrónomo Tycho Brahe durante el XVI, Kepler describió las órbitas planetarias con relaciones geométricas y aritméticas simples. Las tres leyes de Kepler relativas al movimiento planetario fueron: 

· Los planetas describen órbitas elípticas, en las que el Sol ocupa un foco (centro). 
· La distancia que une un planeta al Sol barre áreas iguales en tiempos iguales. 
· El cuadrado del período de rotación de un planeta es proporcional al cubo de su distancia promedio del Sol. 

Durante este mismo período, el astrónomo y filósofo italiano, Galileo Galilei, avanzó en la comprensión del movimiento de los objetos terrestres.  Galilei se dio cuenta de que los cuerpos no sujetos a la influencia de fuerza alguna, continúan moviéndose indefinidamente, y que una fuerza es necesaria para cambiar el movimiento, no para mantenerlo constante. 

También fue el primero en demostrar que los cuerpos caen con la misma aceleración sea cual sea su composición. Durante la misión del Apolo 15 se realizó un experimento homenaje a Galileo. Se dejó caer simultáneamente un martillo de 1,3kg y una pluma de halcón de 30g desde una misma altura. En la superficie de la Luna, la fuerza de gravedad es de unos 1,6m/s y sin atmósfera que afecte a la resistencia del aire. Cuando el astronauta los dejó caer, ambos cuerpos llegaron al suelo al mismo tiempo.  

La Tierra no es una esfera perfecta. También tiene muchos bultos y protuberancias en forma de montañas y profundas gargantas. La composición de la Tierra tampoco es uniforme en todo el mundo. Diferentes tipos de rocas, concentraciones de minerales y geografía se combinan para crear bolsas de densidad media variable en todo el lugar. Esto afecta directamente la gravedad en diferentes lugares de la superficie de la Tierra.

FUERZA Y ALCANCE
La fuerza de la gravedad es muy débil. Con nuestros músculos somos capaces, con un pequeño salto, de separarnos del suelo contrarrestando la fuerza gravitatoria que la Tierra ejerce sobre nosotros. La gravedad es 1040 veces más débil que la fuerza que mantiene unido a los átomos, pero, por otro lado la gravedad es capaz de afectar y generar  atracción sobre cuerpos que están muy alejados entre sí. ¿Por qué es tan débil la fuera de la gravedad? Hasta ahora, la mejor explicación proviene de la teoría de cuerdas. Esta teoría establece que el universo podría tener hasta diez dimensiones, de las cuales nosotros sólo percibiríamos tres. En opinión de los teóricos de cuerdas, la gravedad es muy débil porque, a diferencia de otras fuerzas, entra y sale de estas dimensiones extras.

"La ley de gravedad de Newton define la fuerza de atracción entre todos los objetos que poseen masa. Comprender la ley de la gravedad, una de las fuerzas fundamentales de la física, ofrece una visión profunda de la forma en que funciona nuestro universo.

MECÁNICA CUÁNTICA Y GRAVEDAD
     Albert Einstein explicó en su teoría de la relatividad que la gravedad es, de hecho, una deformación del espacio. Al igual que una tela cede cuando se coloca una bola de acero encima, la propia estructura del universo  se pliega y se curva alrededor de un objeto masivo en el universo debido al efecto de la gravedad. Además de distorsionar el espacio, la masa también distorsiona el tiempo. Esto significa que el tiempo transcurre más lentamente cuanto más masivo sea el objeto que ejerce la fuerza gravitatoria.

Los científicos confirmaron en 2016 el descubrimiento de ondas gravitacionales creadas a partir de dos agujeros negros fusionados. Investigadores del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) en los Estados Unidos observaron por primera vez las ondas que confirman la Teoría de la relatividad general de Einstein. También se demostró que viajan a la velocidad de la luz. NASA/Wikimedia Commons

Albert Einstein postulaba que el sol, con su gran masa, cambiaría el espacio tiempo de tal manera que sería capaz de curvar la luz emitida por estrellas distantes y colocadas detrás del astro. Este hecho era difícil de demostrar ya que la luz del sol es mucho más brillante que la de las estrellas y había que esperar a que se produjera un eclipse para verificarlo. La teoría fue probada en el eclipse solar de 1919. 

INTRODUCCIÓN A LOS CAMPOS GRAVITATORIOS
La ley de gravitación universal de Sir Isaac Newton (es decir, la ley de la gravedad) puede reformularse en forma de un campo gravitacional, que puede ser un medio útil para observar la situación. En lugar de calcular las fuerzas entre dos objetos (partículas), decimos que un solo objeto con masa crea un campo gravitacional a su alrededor. El campo gravitacional se define como la fuerza de gravedad en un punto dado dividido por la masa de un objeto en ese punto.

Matemáticamente, la fuerza de gravedad se expresa así: FG = Gm1m2/r2

• Fg = fuerza de gravedad (generalmente en newtons)
• G = constante gravitacional. El valor de G es 6.67259 x 10-11 N * m2 / kg2
• m1 & m1 = masas de las dos partículas (generalmente en kilogramos)
• r = distancia en línea recta entre las dos partículas (generalmente en metros)

Ahora, tanto g (constante de gravedad) como Fg (fuerza de gravedad) tienen naturaleza vectorial. La fuente de masa M ahora está en mayúscula. La r al final de las dos fórmulas más a la derecha tiene un quilate (^) encima, lo que significa que es un vector unitario en la dirección del punto fuente de la masa M. Dado que el vector apunta lejos de la fuente mientras que la fuerza (y el campo) se dirigen hacia la fuente, se introduce un negativo para hacer que los vectores apunten en la dirección correcta.

Esta ecuación representa un campo vectorial alrededor de M que siempre se dirige hacia él, con un valor igual a la aceleración gravitacional de un objeto dentro del campo. Las unidades del campo gravitacional son m/s2.

La gravedad cuántica es un término general para las teorías que intentan unificar la gravedad con las otras fuerzas fundamentales de la física (que ya están unificadas). En general, plantea una entidad teórica, un gravitón, que es una partícula virtual que media la fuerza gravitacional. Esto es lo que distingue la gravedad cuántica de ciertas otras teorías de campo unificado, aunque, para ser justos, algunas teorías que generalmente se clasifican como gravedad cuántica no requieren necesariamente un gravitón.

GRAVEDAD CUÁNTICA
Los esfuerzos actuales en física cuántica están intentando unificar todas las fuerzas fundamentales de la física en una fuerza unificada que se manifiesta de diferentes maneras. Hasta ahora, la gravedad está demostrando ser el mayor obstáculo para incorporar a la teoría unificada. Tal teoría de la gravedad cuántica finalmente unificaría la relatividad general con la mecánica cuántica en una visión única, perfecta y elegante de que toda la naturaleza funciona bajo un tipo fundamental de interacción de partículas.

En el terreno de la gravedad cuántica, se teoriza que existe una partícula virtual llamada gravitón que interactúa con la fuerza gravitacional porque así es como operan las otras tres fuerzas fundamentales (o una fuerza, ya que esencialmente se han unificado juntas) . Sin embargo, el gravitón no se ha observado experimentalmente.

Algunas teorías de campo unificadas que se clasifican como teorías de gravedad cuántica incluyen:

- Teoría de cuerdas / Teoría de las supercuerdas / Teoría M
- Supergravedad
- Gravedad cuántica de bucle
- Teoría de Twistor
- Geometría no conmutativa
- Gravedad cuántica euclidiana
- Ecuación de Wheeler-deWitt

Por supuesto, es completamente posible que si la gravedad cuántica existe, no será simple ni elegante, en cuyo caso estos intentos se abordan con suposiciones defectuosas y, probablemente, serían inexactos. Solo el tiempo y la experimentación lo dirán con seguridad. También es posible, como predicen algunas de las teorías anteriores, que una comprensión de la gravedad cuántica no solo consolide las teorías, sino que introduzca una comprensión fundamentalmente nueva del espacio y el tiempo.