Agujeros negros, mareas y espaciotiempo curvo: Comprender la gravedad

Comiencen su exploración de la gravedad con Isaac Newton y la famosa historia de la manzana. ¿Por qué fue un gran avance relacionar la caída de una manzana con la lejana Luna? Repasen las características esenciales de la gravedad y aprendan por qué los asteroides pequeños y los planetas grandes tienen formas tan diferentes.

Repasen tres grandes descubrimientos del "abuelo" de la investigación sobre la gravedad, Galileo Galilei. Puede que su experimento más famoso nunca llegara a producirse, pero su principio de la inercia, la ley de la caída libre y el principio de la relatividad son la base de todo lo que viene después en la ciencia de la gravedad, incluidos los avances clave de Einstein.

Basándose en las ideas y observaciones de Nicolás Copérnico y Tycho Brahe, Johannes Kepler alcanzó una gran comprensión de la gravedad al descubrir tres leyes del movimiento planetario, relacionadas con las matemáticas de las órbitas. Determinó que la causa del movimiento planetario debía residir en el Sol.

Descubran cómo Newton pudo completar la revolución de Kepler formulando la ley de la gravitación universal, según la cual todo objeto ejerce una fuerza de atracción sobre cualquier otro objeto. Exploren también el descubrimiento de Newton de las tres leyes del movimiento, en las que se basa la ciencia mecánica.

El texto esboza tres avances científicos: la determinación de las distancias en el sistema solar, el experimento de Henry Cavendish que establece el valor de la constante gravitatoria de Newton y la confirmación del principio de equivalencia, que afirma que la masa gravitatoria y la inercial son iguales. El experimento de Cavendish permite medir la masa en todo el universo.

Empiecen a profundizar en las leyes de Newton más de lo que el propio Newton fue capaz de llegar. Apliquen los conceptos clave de energía y momento angular para estudiar cómo afecta la gravedad al movimiento. Como ejemplo, utilicen álgebra simple para calcular la velocidad de escape de la Tierra.

Newton fue el primero en darse cuenta de que, en teoría, los objetos podían ponerse en órbita alrededor de la Tierra. Exploren cómo funciona esto en la práctica, utilizando las ideas de energía y momento angular para estudiar cómo se mueven por el espacio los satélites, las lunas, los planetas y las estrellas.

Averiguen el origen de las mareas por el simple hecho de que la gravedad varía de un punto a otro del espacio. Esto no solo provoca la subida y bajada de los océanos, sino también la ralentización gradual de la rotación de la Tierra, el espectacular sistema de anillos de Saturno, los volcanes de la luna Io de Júpiter y muchos otros fenómenos.

Comiencen su estudio de los efectos de la gravedad en los movimientos de más de dos cuerpos. Observen cómo incluso los cambios orbitales más pequeños -pequeñas perturbaciones- son significativos. Tales efectos han revelado la presencia de planetas desconocidos, tanto en nuestro propio sistema solar como alrededor de otras estrellas.

La resonancia se produce siempre que una pequeña fuerza periódica produce un gran efecto en un movimiento periódico; por ejemplo, cuando empujan a un niño en un columpio. Aprendan cómo la resonancia debida a las interacciones gravitatorias entre tres cuerpos puede dar lugar a fenómenos asombrosos con planetas, asteroides y anillos de planetas.

Consideremos el problema de las interacciones gravitatorias entre millones de cuerpos, como las innumerables estrellas de una galaxia. Sorprendentemente, las matemáticas pueden revelar información útil incluso en estos casos tan complicados. Descubran cómo el análisis de los movimientos de las galaxias condujo a la predicción de la materia oscura.

Exploren la física de las estrellas, que son bolas de gas en una batalla de mil millones de años entre la atracción interior de la gravedad y la presión exterior producida por la fusión nuclear. Sigan esta historia hasta el final: el triunfo de la gravedad en estrellas masivas que terminan su vida como agujeros negros.

A partir de aquí, céntrense en la revolucionaria visión de la gravitación lanzada por Albert Einstein. Repasen las nuevas ideas sobre los campos que permitieron a la física ir más allá de la mecánica newtoniana. A continuación, vean cómo Einstein modificó las leyes de Newton y creó la teoría especial de la relatividad.

Einstein se centró en la gravedad en su teoría general de la relatividad. Escuchen su "pensamiento más feliz": la constatación de que un hombre en caída libre percibe la gravedad como cero. Esta simple idea resolvió un misterio que se remontaba a Newton y llevó a Einstein al sorprendente descubrimiento de que la gravedad afecta a la luz y al tiempo.

En una influyente interpretación de la relatividad, Hermann Minkowski, antiguo profesor de matemáticas de Einstein, reformuló la teoría en términos de geometría de cuatro dimensiones, a la que denominó espaciotiempo. Aprendan a trazar acontecimientos en este sistema de coordenadas en casos en los que la gravedad es nula.

Vean cómo la gravedad afecta a la geometría del espacio-tiempo de Minkowski, descubriendo que el movimiento en un campo gravitatorio sigue la trayectoria más recta en el espaciotiempo curvado. La curvatura del espacio-tiempo no está causada por la gravedad, sino que es la gravedad. Esta sorprendente idea es la esencia de la teoría general de la relatividad de Einstein.

La curvatura del espacio-tiempo depende de la materia y de los efectos de las mareas. Vean cómo los efectos de marea ordinarios revelan una forma simplificada del mayor descubrimiento de Einstein: la ecuación que rige la curvatura del espacio-tiempo por la materia.

Vean cómo la teoría general de la relatividad de Einstein predice la curvatura de la luz en un campo gravitatorio, confirmada en 1919 por el científico británico Arthur Eddington. Descubran cómo este fenómeno crea lentes gravitatorias naturales y cómo la curvatura de la luz revela la materia invisible en el espacio profundo.

La teoría general de la relatividad predice nuevos fenómenos de gravedad análogos a los del electromagnetismo. Descubran cómo experimentos ultrasensibles han detectado el gravitomagnetismo de la Tierra y sigan la búsqueda de las esquivas ondas gravitatorias que viajan por el espacio.

Sumérjanse en el tema de los agujeros negros, que son objetos masivos que han colapsado completamente bajo su propia gravedad. Aprendan cómo los agujeros negros distorsionan el espacio-tiempo y exploren los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el corazón de las galaxias. A continuación, pregúntense: ¿existen los microagujeros negros?

Investiguen lo que Einstein llamó su "mayor error": el rechazo de la predicción de su propia teoría de que el espacio-tiempo debía ser dinámico y evolutivo. Tracen el trabajo de un grupo de científicos, entre ellos Alexander Friedman, Georges Lemaître y Edwin Hubble, que avanzaron en la comprensión de que nuestro universo se está expandiendo a partir de un aparente big bang.

Exploren la antigravedad cósmica estudiando la inflación cósmica que expandió rápidamente el universo tras el Big Bang. Analicen por qué la materia oscura no está compuesta de material bariónico típico como protones y neutrones. Por último, investiguen los recientes descubrimientos sobre la expansión acelerada del universo que apuntan a fuerzas desconocidas o energía oscura en juego.

Los investigadores utilizan los agujeros negros para examinar las leyes de la termodinámica, evaluando cómo la gravedad puede tanto atraer materia como impulsar la entropía. Exploran el descubrimiento de Stephen Hawking de que la gravedad, que gobierna tanto la caída de las manzanas como el movimiento de las estrellas, es también clave en la creación de orden y complejidad en el universo.

Analicen el mayor problema sin resolver de la física teórica: la búsqueda de una teoría cuántica de la gravedad. Examinen la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles y la gravedad entrópica. Concluyan con una apreciación más profunda de la conexión entre las características cotidianas de la gravedad y las cuestiones más apasionantes de la física y la cosmología contemporáneas.