Gravedad: Qué es, evidencias y ondas asociadas


Gravedad

Este post trata sobre el concepto de gravedad.

En el aprenderás sobre:

  • En qué consiste la gravedad, incluyendo lo que sabemos sobre ella y lo que todavía no conocemos.
  • Explicación de las 3 evidencias más claras que conocemos para afirmar que la gravedad existe.
  • Qué son las ondas gravitacionales y de que manera las clasificamos.

¿Qué es la gravedad?


La gravedad es una fuerza por la cuál se atraen físicamente dos elementos cualquiera de nuestra realidad (a excepción de ciertos elementos más pequeños que los átomos).

Es importante aclararte, que esta definición nos explica de que forma funciona la gravedad. Pero sin contestar realmente qué es. ¿El motivo?

Qué-es-la-gravedad
Definición de gravedad. Teoría sobre su funcionamiento. Efecto que observamos.

Pues bastante simple. Aún no conocemos su funcionamiento fundamental. Es decir, observamos el resultado de la gravedad pero no sabemos cómo se produce.

Ante esta problemática, se están buscando actualmente posibles soluciones.

Una de las teorías más extendidas en la comunidad científica es la de la teoría cuántica de la gravitación. Esta, especula con que existen unas partículas sin masa llamadas gravitones que se encargarían de transmitir la fuerza gravitatoria entre cuerpos.

Incluso aunque esta teoría estuviera en lo cierto, actualmente es imposible de probar. Esto es debido a que no disponemos de metodología ni aparatos que nos permitan detectar estos gravitones (la fuerza de la gravedad es mucho más débil que otras fuerzas como pueda ser por ejemplo la electromagnética).

Por otro lado incluso si pudiéramos medir la interacción de estos gravitones existe otro problema. No se conoce el mecanismo matemático por el que ocurre. O lo que es lo mismo, no conocemos absolutamente nada de la gravedad en su forma fundamental (desconocemos tanto su funcionamiento teórico como práctico).

Una vez que sepamos como opera la gravedad se conseguiría un enorme avance en nuestro entendimiento de la realidad, ya que es la única de las cuatro fuerzas fundamentales que falta por explicar.

En resumen, solo conocemos el efecto que produce la gravedad sobre la realidad. Este es, una fuerza de atracción que es igual en todas las direcciones y que decrece a medida que te alejas del centro de masa del objeto.

Este efecto, tiene a su vez múltiples implicaciones sobre las características que modelan nuestro universo. Te voy a hablar en detalle sobre lo que conocemos de este efecto en el próximo apartado.

3 evidencias sobre el efecto de la gravedad


Para que te hagas una idea general, medir la fuerza de la gravedad con precisión hoy en día es muy complicado. Se usan detectores mecánicos que son muy imprecisos si los comparas con otro tipo de detectores (por ejemplo, los detectores electrostáticos que detectan fuerzas electromagnéticas pueden llegar a tener una sensibilidad en torno a 10¹² veces mayor que la de los detectores mecánicos).

A pesar de todo, en los últimos siglos se han descubierto varias evidencias sobre el funcionamiento de la gravedad, lo que nos ha permitido avanzar en el conocimiento de este fenómeno físico:

1. Ley del cuadrado inverso

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3 situaciones que siempre se cumplen con la gravedad. Más débil cuanta mayor distancia (Ley del cuadrado inverso), siempre afecta a todos los cuerpos de la misma manera (Principio de equivalencia) y su intensidad estándar es siempre la misma (Constante de gravitación).

La fuerza de la gravedad decrece a medida que nos alejamos del centro de masa. En concreto, su fuerza decrece con la distancia al cuadrado.

Hasta el momento ha habido múltiples experimentos que han tratado de probar la inexactitud de esta ley.

Pero por ahora todas las observaciones llegan a la misma conclusión: no existe desviación. La intensidad gravitatoria se adecúa casi perfectamente al cuadrado inverso de la distancia. 

2. Principio de equivalencia

Este principio afirma que el efecto gravitatorio que experimenta un cuerpo solo depende de su posición inicial en el espacio-tiempo. Es decir, que la fuerza de la gravedad actúa igual independientemente de la composición,  estado físico o sistema donde se encuentre inmerso el cuerpo en cuestión. 

Estas evidencias provienen de experimentos en donde se probaron diferentes objetos bajo un mismo efecto gravitatorio. Por ejemplo, dejar caer distintos objetos teniendo en cuenta el rozamiento del aire, o medir la aceleración gravitatoria de la luna y la Tierra con respecto al sol. 

En todos los casos el resultado es el mismo. No hay diferencia significativa.

3. Constante de gravitación universal

Como seguramente sabes, si el efecto gravitatorio sigue un principio de equivalencia, eso implica que puede ser descrito en una constante para una superficie y masa estándares.

Esta constante se denomina G y tiene un valor de 6,674*10-11 Newtons por cada m2/Kg2.

Casi todas las medidas de esta constante se han hecho con balanzas de torsión. Estos aparatos consisten en dos esferas unidas por una varilla que experimentan la fuerza gravitatoria de otros objetos situados cerca suya.

Conociendo el valor de torsión, el ángulo y el periodo del movimiento que experimenta la varilla por un lado; y el valor de las masas de los otros objetos y su distancia con respecto a las dos esferas por otro; es posible calcular esta constante.

¿Qué son las ondas gravitacionales?


Las ondas gravitacionales son perturbaciones del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz y que apenas interaccionan con la materia. Son causadas por la actividad e interacción de objetos supermasivos (rotación, colisión, explosiones, etc…).

Es importante que entiendas que cualquier cantidad de masa (por si misma) ya es capaz de generar una influencia gravitatoria a su alrededor.

Sin embargo si estas masas son enormes y le sumamos eventos que generen una gran cantidad de energía y/o aceleración, entonces, la distorsión del tiempo y del espacio puede ser detectable incluso a distancias enormes de donde se originó.

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Definición de ondas gravitacionales. Clasificación basada en la fuente que las genera (4 tipos).

En estos enormes eventos el tamaño de las ondas detectadas es en torno a 1000 veces más pequeño que el tamaño del núcleo de un átomo. Con eso te puedes hacer a la idea de lo indetectables que son estas ondas en objetos menos masivos.

En la actualidad, la comunidad científica clasifica a las ondas gravitacionales basándose en el tipo de fenómeno astronómico que las crea. En concreto, hay 4 tipos claramente establecidos:

  • Continuas: Son ondas que siempre tienen una frecuencia y amplitud constantes. Esto es debido a que provienen de un solo objeto masivo que gira de forma constante.
  • Binarias: Son ondas que incrementan su intensidad con el paso del tiempo. Esto es debido a que provienen de dos objetos masivos enlazados. Estos objetos se van aproximando paulatinamente; aumentando su aceleración y, por lo tanto, aumentando la energía gravitacional que liberan.
  • Estocásticas: Son ondas que no siguen un patrón definido de frecuencia y amplitud. Esto es debido a que se forman por la unión de ondas gravitacionales de fuentes distintas.
  • Ráfagas: Dentro de este tipo se engloban todas las ondas gravitacionales desconocidas, con patrones que no han sido predichos todavía. Esto es debido a que en el universo tienen que existir fenómenos que aún no conocemos y, por esta razón, la ondas que se generarían aún no pueden ser caracterizadas.

Como te podrás imaginar, las ondas gravitacionales son todavía grandes desconocidas (no tienes más que ver la definición de ráfagas). De esta forma, esta clasificación es susceptible de cambiar según vaya mejorando la tecnología de detección.

Referencias



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