¿Qué es la gravedad en realidad?

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La gravedad es quizás una de las cuatro fuerzas fundamentales mejor conocidas. También es una de las más fáciles de entender. A un nivel muy básico, la gravedad es la atracción mutua entre dos masas. Es la fuerza que utiliza el Sol para hacer que los planetas se mantengan en sus órbitas, también es la fuerza que nos mantiene pegados a la Tierra. Esta fuerza siempre es de atracción, y la fuerza entre dos masas depende inversamente del cuadrado de sus distancias. Pero la simplicidad de la gravedad es solo una apariencia que esconde un fenomeno profundamente sutil y complejo.

Cuando Newton propuso su modelo de la gravedad universal, una de las críticas al modelo fue cómo la gravedad puede actuar a distancia. ¿Qué hace que la Luna “detecte” la presencia de la Tierra y “sepa” que debe ser atraída hacia ella? Se han propuesto unas cuantas ideas al respecto, pero nunca se ha analizado detalladamente. Como el modelo de Newton fue tan increíblemente preciso y práctico, el problema de la acción a distancia fue escondido bajo la alfombra. Independientemente de que Newton no explicara la forma en que las masas se detectan mutuamente, su modelo permite calcular el movimiento. Otro problema es el conocido problema de los tres cuerpos. Calcular el movimiento de dos masas es increíblemente preciso, pero cuando calculamos el movimiento de tres o más masas, los cálculos no son exactos. El movimiento calculado para tres masas es bastante aproximado, y permitió descubrir Neptuno, pero no fue posible hacer un cálculo exacto.

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Problema de los tres cuerpos

La idea de Newton era simple, pero su aplicación era compleja.

A principio del siglo XX, descubrimos que la gravedad no era una fuerza del todo. En el modelo de Einstein la gravedad no es una fuerza, sino más bien una distorsión del espacio-tiempo. Básicamente, la masa de un cuerpo le dice al espacio cómo curvarse, y el espacio le dice a otra masa cómo moverse. La relatividad general no es solo una estrategia matemática para solventar y calcular de forma correcta la fuerza entre los objetos, también hace predicciones únicas sobre el comportamiento de la luz y la materia, que son diferentes a la predicción de la gravedad como fuerza. El espacio es muy curvado, y como resultado, los objetos se desvían de una trayectoria recta de manera que parece que actúe una fuerza.

Pero a pesar de la aproximación de la gravedad como una fuerza, y la sutil y bella aproximación sobre las propiedades espacio-temporales, nos hemos dado cuenta en este último siglo que todavía no sabemos lo que es realmente la gravedad. Esto es porque tanto los modelos de Newton como el de Einstein son de naturaleza clásica. Ahora sabemos que los objetos tienen propiedades cuánticas, como la dualidad onda-partícula. Cuando tratamos de aplicar la teoría cuántica a la gravedad, las cosas se vuelven complicadas y confusas. Desde la teoría cuántica los objetos existen bajo un marco de espacio y tiempo. Como la gravedad es una propiedad espaciotemporal en sí misma, cuantizar la gravedad implica cuantizar el mismísimo espacio-tiempo. Hay algunos modelos que intentan hacerlo, pero ninguno ha conseguido aún ser un modelo cuántico completo.

El conocimiento actual que tenemos sobre la gravedad está bien. Con lo que sabemos hasta ahora podemos describir el movimiento de las estrellas y planetas. Del mismo modo hemos podido usarlo para predecir agujeros negros y confirmar el big bang mediante la observación. Cada prueba experimental y observacional de la teoría de la relatividad general ha sido precisa. Los objetos de gran masa y fuerte gravedad se definen bien con la gravedad clásica. Para objetos pequeños de gravedad débil disponemos de un modelo cuántico aproximado que es suficiente. El problema surge cuando tratamos de describir objetos pequeños que poseen gravedad fuerte, como los primeros momentos del big bang.

Sin una teoría completa de la gravedad cuántica, no podremos comprender por completo los inicios del universo. Sabemos por la observación que los primeros momentos del universo eran a la vez pequeños y densos. Desde la relatividad general el universo comenzó siendo una singularidad. La mayoría de cosmólogos no creen que el universo comenzara siendo una singularidad, pero sin una teoría cuántica de la gravedad no podemos saberlo con seguridad. Incluso si dejamos a un lado los aspectos cuánticos de la gravedad, aún quedaría una parte de la gravedad que no entenderíamos. Con la relatividad general es posible tener una constante cosmológica. Añadiendo esta constante a las ecuaciones de Einstein causa que el universo se expanda a través de la energía oscura, tal y como observamos. Mientras que la relatividad general permite una constante cosmológica, no la necesita. La constante cosmológica concuerda con lo que observamos, pero existen otros modelos propuestos para la energía oscura que también concuerdan igual de bien (al menos, por ahora). Si la energía oscura se debiera realmente a la constante cosmológica, entonces la constante cosmológica es muy aproximada a cero, exactamente 10-122. ¿Por qué una constante iba a ser tan próxima a cero? ¿Por qué existe incluso cuando la relatividad general no la necesita?

No lo sabemos, y sin este conocimiento, tanto el origen como el destino del universo permanecerá siendo un misterio.

Fuente: From Quarks to Quasars – What is gravity really?