Para modificar el concepto de la Gravedad

La fuerza más débil de las cuatro que existen en la naturaleza, o cuando menos las que se han descubierto hasta ahora, es la Gravedad, su partícula asociada es el “Gravitón”, y no posee masa.

Las otras tres son:

La Electromagnética, tan cercana a la vida cotidiana y cuya partícula asociada es el“Fotón”

La Nuclear Fuerte, sin cabida en nuestra percepción y cuya partícula asociada es el “Gluón”

La Nuclear Débil, tampoco percibida y cuya partícula asociada es el “Bosón de Gauje”.

Las dos primeras pueden ser percibirlas con nuestros sentidos, las otras dos no, sólo son notorias en el universo sub atómico.

Escalas de las Fuerzas Fundamentales.

La repulsión electromagnética es 10 a la 42 veces más fuerte que la fuerza de gravedad.

La fuerza nuclear fuerte es 100 veces más fuerte que la electromagnética.

La fuerza nuclear fuerte es cien mil veces más fuerte que la fuerza nuclear débil.

Fuerzas o Interacciones Macroscópicas

La gravedad y electromagnetismo, son estudiados desde hace varios siglos. Están incluidas en los llamados fenómenos macroscópicos, lo que ocasiona que se sus efectos y estudios se incluyan magnitudes de: volumen, masa, longitud, presión, temperatura, etc.; esto es, la realidad tridimensional para la que están diseñados nuestros organismos y sus receptores.

Gravedad

La gravedad es la responsable de efectos que nos son conocidos, por ejemplo, la caída de los cuerpos a la tierra, no flotan, son atraídos por el planeta, caen irremediablemente. Y eso ha condicionado nuestro existir, nadie desafía a la “terrible villana” como dijo Sheldon Cooper (11 temporadas en “La Teoría del Big Bang” de CBS), la infaltable gravedad, porque si lo haces pereces rápidamente.

Todas las actividades humanas, la tienen muy en cuenta.

Además explica interacciones a gran escala, como son las marea de los cuerpos de agua en nuestro planeta, la órbita de la luna alrededor de la Tierra, a su vez la de ambos cuerpos alrededor del sol, y en general las órbitas de los planetas. Las lejanas estrellas y sus sistemas planetarios también.

Fue Isaac Newton (1643 – 1727), en su obra conocida (simplemente) como “Principia”, quien primeramente describió la “Ley de la Gravitación Universal”, con ello la Mecánica Clásica sentó sus bases y llevó al ser humano al extraño punto de vista, hasta ese entonces, de que posiblemente no había nada en el gran diseño del Universo hecho especialmente para la humanidad.

Demostró que las leyes de la naturaleza aplican igual en el gobierno de la Tierra, y sus habitantes, y a los demás cuerpos celestes y sus probables habitantes. Fue el primero en anunciar que son de la misma naturaleza la fuerza que hace que los planetas se mantengan en movimiento, así como los demás cuerpos celestes (estrellas y cometas, por ejemplo) y la que hace que los objetos caigan con aceleración constante en el planeta (gravitación terrestre). El planeta tiene una masa aproximadamente de 5,974 10²⁴ kilogramos, con un radio promedio de 6,371 kilómetros, y una intensidad de campo en la superficie de 9.8 metros por segundo.

El campo gravitatorio creado por la Tierra tiene geometría radial, las líneas de campo se pueden considerar prácticamente paralelas y uniformes, llegando a demostrar (matemáticamente) que la influencia del campo gravitatorio es de 9.8 newton por kilogramo y tiene una aceleración de 9.8 metros por segundo

Newton solamente tuvo problemas para explicar el tiempo en que la atracción, llamada gravedad, afectaba a los cuerpos, imaginó que la afectación era inmediata, pero Einstein, teorizó en ese aspecto y encontró que debía ser una fuerza viajando en el espacio a la velocidad de la luz.

Ilustración tomada de Solo Ciencia, que ejemplifica la noción humana de Gravedad

Electricidad

Por otro lado, la humanidad conoció desde tiempos antiquísimos, la electricidad. Mediante los hechos cotidianos: rayos, la electricidad estática, descargas electrónicas por los llamados peces eléctricos (peces gato de la familia “Malapteruridae”, habitantes de ríos africanos como el Nilo y que cazan a sus presas incapacitándolas con descargas eléctricas).

El avance científico de su estudio se remonta al siglo XVII durante el cual William Gilbert (1544 - 1603) realizó un estudio sobre la electricidad y el magnetismo; en el siglo XVIII hay aportaciones de Henry Cavendish (1731 – 1810), Willian Watson 1715 – 1787), Pieter van Musschenbroek (1692 – 1761) entre otros, y se consolidó en el siglo XIX con Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745 – 1827) Charles-Augustin de Coulomb (1736 – 1806), André-Marie Ampère (1775 – 1836), Michael Faraday (1791- 1867), Georg Simon Ohm (1789 – 1854). Aunque su primera aplicación práctica llegó hasta 1833, con el invento del telégrafo de Samuel Finley Bresse Morse (1791 – 1872). Y se tornó parte de la vida cotidiana con la iluminación eléctrica en calles y hogares al finalizar el siglo XIX. Llegó la época de los grandes inventos, destacando los trabajos de Nikola Tesla (1856 – 1943) y Thomas Alba Edison (1847 – 1931) que convirtieron la innovación tecnológica en una actividad industrial.

Magnetismo

El magnetismo, también conocido como energía magnética es un fenómeno natural conocido desde la antigüedad, a partir de los metales que tienen la particularidad de atraer otros materiales, como el níquel, el hierro y el cobalto, así como sus aleaciones y fueron llamados imanes naturales.

La siguiente aportación basada en el magnetismo fue para la navegación, en el siglo XII en China se había inventado la brújula, cuya aguja siempre apunta al polo magnético, y se había desarrollado la técnica para utilizarla con eficacia. Uno de los pioneros en el estudio científico del magnetismo fue William Gilbert (1544 -1603), quien publicó su libro conocido popularmente como “De Magnete” en 1600, y una de sus aportaciones fue el intuir que el planeta se comportaba como un gigantesco imán con los polos magnéticos ubicados en las cercanías de los polos geográficos.

En 1820 Hans Christian Ørsted (1777 - 1851), descubrió, de forma experimental la relación física entre la electricidad y el magnetismo, al observar que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente eléctrica ejercía una perturbación magnética a su alrededor. Y fue entonces que las dos componentes quedaron unidas al descubrir sus vínculos, en ellos colaboraron con sus trabajos, los ya mencionados André-Marie Ampère, Michael Faraday y Johann Carl Friedrich Gauss (1777 – 1855), quien fue conocido como “El Principe de las Matemáticas” y en 1835 formuló su su ley, conocida como el “Teorema de Gauss”, del que se derivaron en su momento dos de las cuatro ecuaciones de Maxwell.

Electromagnetismo

El desarrollo de una teoría que unificara la electricidad con el magnetismo como dos manifestaciones de un mismo fenómeno llegó con la formulación de las Ecuaciones de Maxwell en 1865, con sus ecuaciones describía por completo los fenómenos electromagnéticos. James Clerck Maxwell (1831 – 1879), logró formalizar matemáticamente los resultados experimentales obtenidos por diversos científicos en un largo lapso de tiempo. Retomo la idea de Faraday sobre las características de los campos, que matemáticamente se tratan como una función que va variando en el transcurso del espacio y con el tiempo. De ahí derivaron los conceptos matemáticos a interpretarles como entidades físicas reales, detectables y medibles a las que era posible asociarles energía.

Originalmente dio a conocer 20 ecuaciones, pero con el transcurso del tiempo se fueron simplificando, producto del trabajo que sobre ellas realizaran Oliver Heaviside (1850 – 1925), Josiah Willard Gibbs (1839 – 1903), Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894), George Francis FitzGerald (1851 – 1901), Oliver Joseph Lodge (1851 – 1940), esto sucedió debido a la temprana muerte de Maxwell, que impidió que él mismo realizara la evolución de sus ideas.

Las cuatro ecuaciones, como actualmente se conocen son las correspondientes a:

Primera : Ley de Gauss

Segunda: Ley de Gauss para el campo magnético

Tercera : Ley de Faraday

Cuarta : Ley de Ampere Generalizada

y completadas por otra ecuación, la llamada: Fuerza de Lorentz.

Las ecuaciones originales, eran obtenidas mediante derivadas totales y Heaviside utilizó derivadas parciales temporales, lo que ocasionó la perdida de uno de los términos originales y que ahora se suple con la Fuerza de Lorentz.

Con ellas se perfeccionó la descripción adecuada de un campo electromagnético.

Un campo electromagnético es el campo físico de tipo sensorial, producido por los elementos cargados eléctricamente y que afecta a partículas cargadas eléctricamente. En la experiencia se encuentra que no conviven los componentes magnéticos y eléctricos, por separado, son inseparables y en adición a que las observaciones y por lo tanto las mediciones del campo están regidas por la relatividad. Esto es, un observador en movimiento, con respecto al campo, tendrá resultados distintos a los que obtenga un observador que esté en reposo respecto al mismo. Los vectores eléctrico y magnético no se comportan como magnitudes físicas de tipo vectorial, sino que constituyen un “tensor” (entidad algebraica de varios componentes) para el que rigen leyes de transformación .

En la interpretación relativista, estas ecuaciones se escriben mediante relaciones geométricas en función a “cuadrivectores” (vectores de cuatro dimensiones) y “tensores contravariantes” que son objetos asociados en un espacio de cuatro dimensiones.

Luz y Electromagnetismo

Las cuatro ecuaciones diferenciales en derivadas parciales, a las que se añadieron diversos términos por completitud teórica, así como la predicción de ondas de los campos electro/magnéticos oscilantes, que en el vacío se propagan a una velocidad aproximada a la de la luz, en forma de ondas electromagnéticas, hicieron que se considerara al campo electromagnético como una entidad física real, al margen de las cargas eléctricas que estén asociadas.

Maxwell en uno de sus documentos de 1864, expresaba lo siguiente:

“Estos resultados parece mostrarnos que la luz y el magnetismo son efectos de la misma sustancia, y que la luz es una perturbación electromagnética propagada a través de un campo de acuerdo con las leyes electromagnéticas”.

Las sorpresas estarían incluidas en los avances del estudio del electromagnetismo, y siguieron produciéndose, años después, cuando se presentaron las teorías de la Relatividad, Especial y General, las ecuaciones de Maxwell continuaron siendo válidas.

Ahora se desarrolla lo referente al electromagnetismo en función a la Teoría Cuántica, en la Teoría Cuántica de Campos, que aplica a los campos continuos las condiciones imperantes en el mundo sub atómico.

La nueva manera de interpretar la Gravedad

La gravedad newtoniana resultó afectada, una nueva interpretación que la humanidad a partir de la Relatividad, puede hacer.

La definición clásica de Newton: 

“Cualesquiera dos cuerpos se atraen mutuamente con una fuerza proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia existente entre ellos”.

Ilustración tomada de Slide Share

El planeta tiene una masa aproximadamente de 5,974 10²⁴ kilogramos, con un radio promedio de 6,371 kilómetros, y una intensidad de campo en la superficie de 9.8 metros por segundo.

Y entonces Newton pensaba que el efecto de esta fuerza es inmediata, por ejemplo, si el Sol explotara súbitamente, la Tierra – alejada ciento cincuenta millones de kilómetros - saldría inmediatamente de su órbita y la luz generada en la explosión tardaría ocho minutos en llegar desde el Sol a la Tierra, esto entra en contradicción con la Relatividad Especial, ya que esta teoría garantiza que ninguna información se puede transmitir a una velocidad mayor a la de la luz: la transmisión instantánea viola este precepto contradiciéndolo radicalmente.

En la relatividad, el punto de vista para entender a la fuerza de gravedad, se separa de la noción que tenemos en base a los sentidos. Se ve a la gravedad como un efecto geométrico de la materia sobre la cuarta dimensión, el espacio – tiempo.

Ilustración tomada Del Cielo a la Tierra

Cuando una cantidad importante de materia ocupa una región en el espacio – tiempo, genera una deformación, ya no es una fuerza atractiva, es un efecto que se da al deformarse el espacio – tiempo, estos desarrollan un papel dinámico. La fuerza denominada gravedad es una ilusión. 

En el caso de nuestro planeta, la masa que le constituye, deforma nuestra realidad, y creemos que hay una fuerza misteriosa, pero lo que sucede es que el propio espacio – tiempo nos empuja hacia el suelo.

Ilustración tomada de Fotos Perú

Para la relatividad la gravedad es un alabeo (curvamiento) del tiempo – espacio, que en presencia de materia deja de ser plano, las trayectorias que los cuerpos siguen en el espacio tridimensional, son un reflejo de que el espacio – tiempo es curvo. Una partícula en caída libre dentro de un campo gravitatorio llevará una trayectoria de mínima curvatura, llamada geodésica, por ello la curvatura de las trayectorias tridimensionales son consecuencia de que la línea más recta en el espacio tiempo de cuatro dimensiones (tres físicas y una temporal) no se observa como una recta desde el espacio tridimensional.

Ilustración tomada de Taringa

Ondas gravitatorias A Detectar

La relatividad predice la existencia de las ondas gravitatorias, para medir su propagación es necesario sean originadas por fenómenos astronómicos violentos, como el choque de dos estrellas masivas o remanentes del Big Bang.

Las ondas gravitatorias periódicas serán producidas por sistemas con frecuencia constante, bien definida, como pueden ser sistemas binarios de estrellas o agujeros negros en órbita mutua o una única estrella con gran protuberancia u otra irregularidad girando rápidamente alrededor de su eje, mientras que las ondas gravitatorias explosivas, se teoriza, vendrán de fuentes desconocidas o imprevistas de corta duración.

Las ondas gravitatorias provenientes de sistemas binarios se generan en la última fase de su vida, cuando los dos objetos se unirán en uno solo. Pueden ser dos estrellas de neutrones o dos agujeros negros o uno de cada uno de ellos, para los cuales las órbitas han decaído hasta el punto en que las masas se fusionarán. A medida que la distancia entre ellas se reduce y la velocidad de giro aumenta, y con ello la frecuencia de las ondas gravitatorias también.

El fenómeno que permitió recientemente confirmar las hasta entonces teóricas ondas, corresponden a estas últimas, se fusionaron dos agujeros negros, el primero de 36 veces la masa de nuestro sol y el segundo 29 veces dicha masa, el resultado fue un agujero negro (en rotación) con 62 veces la masa del sol, ello a una distancia de 1.3 miles de millones de años luz, con una luminosidad que supera a la potencia combinada por todas las estrellas del universo observable. El momento culminante dejo una señal detectable que duro 0.2 segundos.

Hasta ahora los resultados obtenidos al intentar determinar si el universo está en expansión, han sido positivas, ello ha llevado a teorizar que existe una causa de ello.

Se sabe que la fuerza de gravedad que conocemos siempre implica atracción, entonces se ha predicho que hay una "fuerza adicional" que suscita la expansión  y se le ha llamado “energía oscura” es una fuerza contraria, es decir, repulsiva, y según lo descubierto hasta ahora, es la causa de la expansión acelerada del universo.

El satélite espacial de la Agencia Espacial Europea llamado “Plank”, en fechas recientes envió información sobre la composición del universo, bajo la tecnología de que fue dotado, y resultó que otorga un 68.3% a la energía oscura, 26.8% a la materia oscura y tan sólo un 4.9% a la materia ordinaria.

Con respecto a la Teoría Cuántica

En lo que respecta a la unión de las experiencias entre lo macroscópico y las partículas sub atómicas, que describe la Teoría Cuántica, el electromagnetismo ha logrado su incorporación, la teoría resultante se conoce como Electrodinámica Cuántica. Esta teoría comparte algunos rasgos con la descripción clásica, mientras que para la gravedad la cosa es muy distinta.

La Teoría de Gran Unificación (GUT) permite incorporar la interacción Electrodébil con la interacción Nuclear Fuerte.

El Modelo Electrodébil fue desarrollado en los sesentas del siglo XX por Sheldon Lee Glasgow (5 diciembre de 1932), Mohammad Abdus Salam (1926 – 1996) y Steven Weinberg (3 mayo de 1933) y unifica la Fuerza Nuclear Débil con el Electromagnetismo, por lo que estos tres científicos ganaron el premio Nobel de Física en el año 1979.

A la fecha hay varias teorías que intentan explicar la unión de las cuatro interacciones o fuerzas de la naturaleza, de ellas, dos teorías podrían algún día evolucionar hasta la mencionada teoría unificadora. Una es la Teoría M, una variante de la Teoría de Cuerdas basada en un espacio de 11 dimensiones. La segunda es la denominada Teoría Cuántica de Bucles que postula que el propio espacio-Tiempo estaría cuantizado dimensionalmente, algo que por ahora no ha sido demostrado.

Se van logrando avances firmes en algunos de los aspectos para entender como está hecho y como funciona el universo, aunque a veces los nuevos descubrimientos descarrilan el tren de la ciencia que se suponía llevaba vía libre. 

No puedo dejar de mencionar que en algún momento se pensó que la Física era una ciencia agotada, todo estaba descubierto y explicado. A veces la humanidad pierde la noción de las cosas. Pues han sido muchos los avances, descubrimientos y explicaciones a preguntas de respuesta pendiente, que se han logrado en el transcurso de los siglos veinte y veintiuno, y lo que falta, se los puedo asegurar. 

En algunas ocasiones el camino tomado se confirmará y habrá avances en ese sentido. 

Pero en otras, lo supuesto será borrado, con nuevas evidencia, nuevos puntos de vista, enfoques inimaginados en tiempos pasados, serán la base de nuevas investigaciones.

Se ha avanzado mucho, pero falta aún mucho más para completar el programa de la Física.