Cuando pensamos en la gravedad, normalmente pensamos en ella como una fuerza entre masas. Cuando subes a una báscula, por ejemplo, el número en la báscula representa la atracción de la gravedad de la Tierra sobre tu masa, dándote peso. Es fácil imaginar la fuerza gravitacional del Sol sosteniendo a los planetas en sus órbitas, o la atracción gravitacional de un agujero negro. Las fuerzas son fáciles de entender como empujones y tirones.
Pero ahora entendemos que la gravedad como fuerza es solo una parte de un fenómeno más complejo que describe la teoría de la relatividad general. Si bien la relatividad general es una teoría elegante, se aparta radicalmente de la idea de la gravedad como fuerza. Como dijo una vez Carl Sagan, 'las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias', y la teoría de Einstein es una afirmación muy extraordinaria. Pero resulta que hay varios experimentos extraordinarios que confirman la curvatura del espacio y el tiempo.
La clave de la relatividad general radica en el hecho de que todo en un campo gravitacional cae al mismo ritmo. Párese en la Luna y deje caer un martillo y una pluma, y lo harán golpea la superficie al mismo tiempo . Lo mismo es cierto para cualquier objeto independientemente de su masa o composición física, y esto se conoce como el principio de equivalencia.
Dado que todo cae de la misma manera independientemente de su masa, significa que sin un punto de referencia externo, un observador que flota libremente lejos de las fuentes gravitacionales y un observador en caída libre en el campo gravitacional de un cuerpo masivo tienen cada uno la misma experiencia. . Por ejemplo, los astronautas en la estación espacial parecen estar flotando sin gravedad. En realidad, la atracción gravitacional de la Tierra sobre la estación espacial es casi tan fuerte como en la superficie. La diferencia es que la estación espacial (y todo lo que hay en ella) está cayendo. La estación espacial está en órbita, lo que significa que literalmente está cayendo alrededor de la Tierra.
La Estación Espacial Internacional orbitando la Tierra. Crédito: NASA
Esta equivalencia entre flotar y caer es lo que utilizó Einstein para desarrollar su teoría. En relatividad general, la gravedad no es una fuerza entre masas. En cambio, la gravedad es un efecto de la deformación del espacio y el tiempo en presencia de masa. Sin una fuerza que actúe sobre él, un objeto se moverá en línea recta. Si dibuja una línea en una hoja de papel y luego tuerce o dobla el papel, la línea ya no aparecerá recta. De la misma manera, la trayectoria recta de un objeto se dobla cuando se dobla el espacio y el tiempo. Esto explica por qué todos los objetos caen al mismo ritmo. La gravedad deforma el espacio-tiempo de una manera particular, por lo que las trayectorias rectas de todos los objetos se curvan de la misma manera cerca de la Tierra.
Entonces, ¿qué tipo de experimento podría probar que la gravedad es un espacio-tiempo deformado? Una se deriva del hecho de que la luz puede ser desviada por una masa cercana. A menudo se argumenta que, dado que la luz no tiene masa, no debería ser desviada por la fuerza gravitacional de un cuerpo. Esto no es del todo correcto. Dado que la luz tiene energía y, por relatividad especial, la masa y la energía son equivalentes, la teoría gravitacional de Newton predice que la luz sería desviada ligeramente por una masa cercana. La diferencia es que la relatividad general predice que se desviará el doble.
Descripción del experimento de Eddington del Illustrated London News (1919).
El efecto fue observado por primera vez por Arthur Eddington en 1919. Eddington viajó a la isla Príncipe frente a la costa de África occidental para fotografiar un eclipse total. Había tomado fotos de la misma región del cielo algún tiempo antes. Al comparar las fotos del eclipse y las fotos anteriores del mismo cielo, Eddington pudo mostrar la posición aparente de las estrellas cambiadas cuando el Sol estaba cerca. La cantidad de deflexión estuvo de acuerdo con Einstein, y no con Newton. Desde entonces, hemos visto un efecto similar en el que la luz de cuásares y galaxias distantes es desviada por masas más cercanas. A menudo se lo conoce como lente gravitacional y se ha utilizado para medir las masas de las galaxias e incluso ver los efectos de la materia oscura.
Otra evidencia se conoce como el experimento de retardo de tiempo. La masa del Sol deforma el espacio cercano a él, por lo que la luz que pasa cerca del Sol no viaja en una línea perfectamente recta. En cambio, viaja a lo largo de un camino ligeramente curvo que es un poco más largo. Esto significa que la luz de un planeta del otro lado del sistema solar procedente de la Tierra nos llega un poco más tarde de lo que esperaríamos. La primera medición de este retraso de tiempo fue a fines de la década de 1960 por Irwin Shapiro. Las señales de radio rebotaron de Venus desde la Tierra cuando los dos planetas estaban casi en lados opuestos del sol. El retraso medido del viaje de ida y vuelta de las señales fue de unos 200 microsegundos, tal como lo predijo la relatividad general. Este efecto ahora se conoce como el retardo de tiempo de Shapiro, y significa que la velocidad promedio de la luz (determinada por el tiempo de viaje) es ligeramente más lenta que la velocidad instantánea (siempre constante) de la luz.
Un tercer efecto son las ondas gravitacionales. Si las estrellas deforman el espacio a su alrededor, entonces el movimiento de las estrellas en un sistema binario debería crear ondas en el espacio-tiempo, similar a la forma en que girar el dedo en el agua puede crear ondas en la superficie del agua. A medida que las ondas de gravedad se alejan de las estrellas, quitan parte de la energía del sistema binario. Esto significa que las dos estrellas se acercan gradualmente, un efecto conocido como inspirador. A medida que las dos estrellas se inspiran, su período orbital se acorta porque sus órbitas se hacen más pequeñas.
Decaimiento del período del púlsar en comparación con la predicción (curva discontinua). Datos de Hulse y Taylor, trazados por el autor.
Para las estrellas binarias regulares, este efecto es tan pequeño que no podemos observarlo. Sin embargo, en 1974 dos astrónomos (Hulse y Taylor) descubrieron un púlsar interesante. Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente y que, por casualidad, irradian pulsos de radio en nuestra dirección. La frecuencia del pulso de los púlsares suele ser muy, muy regular. Hulse y Taylor notaron que la frecuencia de este púlsar en particular se aceleraba ligeramente y luego se ralentizaba ligeramente a una frecuencia regular. Demostraron que esta variación se debía al movimiento del púlsar mientras orbitaba una estrella. Pudieron determinar el movimiento orbital del púlsar con mucha precisión, calculando su período orbital en una fracción de segundo. Mientras observaban su púlsar a lo largo de los años, notaron que su período orbital se acortaba gradualmente. El púlsar está inspirando debido a la radiación de las ondas de gravedad, tal como se predijo.
Ilustración de la sonda de gravedad B. Crédito: Equipo de la sonda de gravedad B, Stanford, NASA
Por último, existe un efecto conocido como arrastre de fotogramas. Hemos visto este efecto cerca de la Tierra. Debido a que la Tierra está girando, no solo curva el espacio-tiempo por su masa, sino que tuerce el espacio-tiempo a su alrededor debido a su rotación. Esta torsión del espacio-tiempo se conoce como arrastre de cuadros. El efecto no es muy grande cerca de la Tierra, pero se puede medir a través del efecto Lense-Thirring. Básicamente, pones un giroscopio esférico en órbita y ves si cambia su eje de rotación. Si no se arrastra el cuadro, la orientación del giroscopio no debería cambiar. Si se arrastra el marco, entonces el giro en espiral del espacio y el tiempo hará que el giroscopio precese y su orientación cambiará lentamente con el tiempo.
Resultados de la sonda de gravedad B. Crédito: Equipo Gravity Probe B, NASA.
De hecho, hicimos este experimento con un satélite conocido como Gravity Probe B, y puede ver los resultados en la figura aquí. Como ves, coinciden muy bien.
Cada uno de estos experimentos muestra que la gravedad no es simplemente una fuerza entre masas. La gravedad es, en cambio, un efecto del espacio y el tiempo. La gravedad está incorporada en la forma misma del universo.
Piense en eso la próxima vez que suba a una báscula.
