La relatividad general es una teoría compleja, pero imaginar objetos que caen puede ayudar a trazar sus contornos. (Aquí, los satélites GPS se muestran alrededor de la Tierra; el GPS depende de la relatividad para proporcionar posiciones precisas).
(Imagen: © NASA)
Paul Sutter es astrofísico en La universidad de estado de Ohio y el científico jefe de Centro de ciencias COSI. Sutter también es anfitrión de "Pregúntale a un astronauta"y"Radio espacial, "y conduce AstroTours alrededor del mundo. Sutter contribuyó con este artículo a Las voces expertas de Space.com: Op-Ed & Insights.
La relatividad general es una de las mayores hazañas de la comprensión humana, que se hace aún más impresionante por el hecho de que surgió de la imaginación fértil y persiguió la brillantez matemática de una sola mente. La teoría en sí es el último y más persistente de los modelos de naturaleza "clásicos" (es decir, no cuánticos), y nuestra incapacidad para encontrar algo más sofisticado en los últimos cien años es un recordatorio constante de cuán inteligente fue Albert. Einstein fue.
Otro testimonio del genio de Einstein viene en el enredado espagueti de ecuaciones complejas e interconectadas que conforman la teoría completa. Einstein hizo una hermosa máquina, pero no nos dejó exactamente un manual de usuario. Podemos rastrear su camino en los siete años de tortura autoinfligida que condujo a la forma final de la teoría, pero esa ruta de desarrollo fue guiada por tanta intuición intestinal de Einstein que es difícil para nosotros simples mortales hacer los mismos saltos ciegos de genio que hizo.
Solo para aclarar el punto, la relatividad general es tan compleja que cuando alguien descubre una solución a las ecuaciones, obtiene la solución que lleva su nombre y se vuelve semi-legendaria por derecho propio. Hay una razón por la que Karl Schwarzschild, el tipo que descubrió la geometría de los agujeros negros, es un nombre familiar (o al menos, un nombre del departamento de física). [Teoría de la relatividad general de Einstein: una explicación simplificada]
La geometría es el destino
El núcleo absoluto de la relatividad general, y un nombre alternativo perfectamente aceptable para ello, es la geometrodinámica. Adelante, dilo en voz alta: es divertido. La forma en que la relatividad general modela la gravedad es a través de las maquinaciones dinámicas del espacio-tiempo mismo. Según la teoría, la presencia de materia y energía altera la geometría fundamental del espacio-tiempo que rodea esas sustancias, y esa geometría alterada influye en el movimiento.
Esta relación surge del concepto más importante, fundamental, que no se puede ignorar y que subyace en toda la teoría de la relatividad general: el principio de equivalencia (E.P.). Este principio es la suposición de que la masa inercial (cuánto empuje se necesita para mover un objeto) es la misma propiedad que la masa gravitacional (cuánto responde un objeto a la gravedad). Y esta es la clave que desbloquea todo el shebang gravitacional.
Usando esa equivalencia, podemos imaginar un escenario para ayudar a visualizar la conexión entre la geometría y la gravedad. Imagina que estás orbitando muy por encima de la Tierra, observando serenamente los continentes y los océanos rodar bajo tu punto de vista.
Luego abres una caja de basura.
A medida que los fragmentos de escombros flotan lejos de ti, reflexionas sobre las ramificaciones de lo que acabas de hacer. Claro, ahora ha creado una nube de escombros potencialmente peligrosos que representa un riesgo importante para los satélites y las futuras misiones. Pero al reflexionar más, su mente se calma. Estás haciendo un experimento científico, y el principio de equivalencia garantiza que todos estos fragmentos de escombros, sin importar su forma o masa, rastrearán perfectamente los efectos de la gravedad de la Tierra, sin la necesidad de ningún otro cálculo. Eso es algo único de la fuerza de gravedad, gracias a la E.P. [Por qué la relatividad es verdadera: la evidencia de la teoría de Einstein]
Romper las reglas
Mira lo que le sucede a la basura que arrojaste al espacio. Algunos, por pura casualidad, pueden comenzar en una línea perfectamente horizontal. Pero a medida que los objetos caen a la Tierra, siguen líneas rectas que se dirigen hacia el centro del globo. Si los observa de cerca, verá que a medida que se dirigen hacia abajo, convergerán gradualmente. Si pudieran atravesar la Tierra sólida, eventualmente colisionarían en el centro.
Otros trozos de basura podrían comenzar en una línea perfectamente vertical dirigida hacia la Tierra, espaciados uniformemente el uno del otro. Ellos también caerían. Pero el afortunado al frente de la línea caería un poco más rápido, debido a su proximidad un poco más cercana a la Tierra, con el último en la línea un poco más atrás. Entonces, a medida que los escombros continuaban su descenso, lentamente divergirían en su línea vertical.
En algunos casos, tenemos senderos convergentes y estrechos. En otros casos, tenemos trayectorias divergentes y dispersas. En ambos casos, los caminos comienzan como perfectamente paralelos o uniformes, pero cambian los caracteres. Estos caminos cambiantes son exactamente lo que los matemáticos usan para describir el lenguaje de la "curvatura", y ese es el lenguaje de la geometría.
Ding, ding, ding. Ahí está. El principio de equivalencia le dice que los caminos de la basura que cae le informan directamente sobre la naturaleza de la gravedad, y esos mismos caminos revelan una geometría complicada del espacio-tiempo subyacente. En otras palabras, esa gravedad es la geometría del espacio-tiempo.
Geometrodinámica
Estirando nuestros cerebros
El "tiempo" en el espacio-tiempo es muy importante para la teoría completa. Probablemente haya visto la demostración o el gráfico del museo de ciencias que acompaña a un artículo sobre relatividad general que muestra lo que parece una lámina de goma estirada. Una bola pesada, que representa un planeta o una estrella o un agujero negro o lo que sea, se coloca en el centro, tirando la tela hacia abajo. Rodar otras bolas en la sábana revela la "influencia" de la gravedad: intentan seguir líneas rectas, pero sus caminos se desvían por la curvatura subyacente.
Esa demostración está perfectamente bien como primera presentación de jardín de infantes, pero ya hemos pasado el jardín de infantes. No hay "caída" en el espacio-tiempo real, y la curva está ocurriendo en cuatro dimensiones, no en dos. Es un poco más difícil de visualizar, por lo que generalmente nos retiramos a la demostración más simple.
Es cierto que un objeto masivo distorsiona el espacio estático en sus alrededores, pero eso es solo la mitad de la imagen. La masa también afecta la dimensión del tiempo, y lo hace al alterar las posibles trayectorias que puede hacer un objeto que pasa.
Cada objeto tiene lo que se llama un cono de luz, o un conjunto de posibles destinos que el objeto podría alcanzar viajando más lento que la velocidad de la luz. Imagínese cabalgando con una mota de polvo mientras corre por el sol. Tiene una gama de posibilidades futuras, dada por su cono de luz. Pero a medida que el polvo se acerca al sol, la gravedad de esa bola de fuego gigante inclina el cono de luz del polvo hacia el sol mismo. El polvo ahora tiene un nuevo futuro más específico asignado: algunos destinos están fuera de los límites (están fuera del nuevo cono de luz), mientras que otros se han abierto.
Esto puede parecer dividir los pelos, pero la curvatura estática del espacio y la alteración de los conos de luz aparecen en las matemáticas de la relatividad general en lugares separados, y solo combinando los dos efectos obtenemos las predicciones completas (¡y precisas!) De teoría. El espacio y el tiempo deben considerarse juntos; no puedes ignorar a uno.
En otras palabras, la gravedad es la geometría del espacio-tiempo. Geometrodinámica
Obtenga más información escuchando el episodio "" En serio, ¿qué es la gravedad? (Parte 3) "en el podcast" Ask A Spaceman ", disponible en iTunes y en la web en http://www.askaspaceman.com. Gracias a Andrew P., Joyce S., @ Luft08, Ben W., Ter B., Colin E, Christopher F., Maria A., Brett K., bryguytheflyguy, @MarkRiepe, Kenneth L., Allison K., Phil B. y @shrenic_shah por las preguntas que llevaron a esta pieza. ¡Haga su propia pregunta! en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a Paul @ PaulMattSutter y facebook.com/PaulMattSutter. Síganos en @Spacedotcom, Facebook y Google+. Artículo original en Space.com.
