Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

noviembre 12, 2011

La gravedad, el acertijo omnipresente

Al paso del tiempo hemos descubierto que la gravedad es el gran elemento cohesivo del universo, y su comportamiento nos ha permitido investigar toda nuestra realidad… y aún queda mucho por saber.

Albert Einstein en 1921
(Foto de E.O. Hoppe, revista Life
via Wikimedia Commons)
Es un fenómeno evidente e ineludible: saltamos, y la gravedad nos hace volver al suelo. Lanzamos una pelota y cae al suelo. Una fuerza poderosa está en acción, pero distinta de las otras que conocemos: no tiene opuesto, no nos podemos blindar contra ella y pese a ser la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales, es la que mantiene unido el universo.

Una de las primeras teorías sobre la gravedad, su funcionamiento y sus causas, es la que formuló Aristóteles basado en dos creencias ya existente desde tiempos presocráticos: primero, que nuestro mundo estaba en el centro del universo y, segundo, que éste estaba formado por cuatro elementos: agua, aire, tierra y fuego. Cada uno de estos elementos parecía tener su lugar en el universo: la tierra en el centro, sobre ella una capa de agua, sobre ésta el aire y finalmente, en la bóveda celeste, el fuego. En la visión de Aristóteles, la gravedad era únicamente la “naturaleza contenida en cada sustancia” que la llevaba a buscar su lugar en el universo. El aire subía por el agua en forma de burbujas, para ubicarse donde le correspondía, el fuego subía por el aire y la tierra caía por el aire y el agua para llegar al nivel de la tierra.

Otra idea de Aristóteles (en su libro “Física”, escrito alrededor del 330 a.C.) respecto de la forma en que se expresaba esta “naturaleza” era que los objetos caían a velocidades distintas según su peso: una piedra 10 veces más pesada que otra caía 10 veces más rápido.

Por erróneo que fuera el modelo, no cabe duda que era elegante y parecía coherente internamente. Tanto así que fue admitido como real, sin posibilidad de desafío, en Europa y el Cercano Oriente hasta mediados del siglo XVI, cuando Nicolás Copérnico estableció un modelo más sencillo que el derivado de Aristóteles y que explicaba mejor el movimiento de los cuerpos celestes, ubicando al sol en el centro del universo, y que dio a conocer en 1543. Para fines del siglo XVI, Galileo demostró que los objetos de peso distinto caían a la misma velocidad (o, más exactamente, a la misma tasa de aceleración).
Conforme se alcanzaban estos nuevos conocimientos, el modelo aristotélico se desmoronó.

Sobre la base de los trabajos de Copérnico, Galileo y sus contemporáneos, Isaac Newton, nacido exactamente 100 años después de la publicación de Copérnico, logró describir la forma en que actuaba esa fuerza que él llamó “gravedad” en 1686. En el modelo de Newton, la gravedad era una fuerza universal de atracción de los cuerpos que podía expresarse como el producto de las masas de los dos cuerpos dividido por el cuadrado de la distancia que los separa. Y esta ley explicaba por qué las órbitas de los planetas alrededor del Sol son elípticas, por qué la Luna provoca las mareas y por qué los objetos (como la manzana que vio caer en su granja en 1666 y le llevó a preguntarse por qué los objetos caían siempre en forma perpendicular al suelo, poniendo en marcha sus investigaciones sobre la gravedad).

El modelo que Newton dio a conocer en 1687 proporcionó una explicacion matemática muy precisa de la forma en que se mueven los cuerpos en un campo gravitacional, desde por qué cuando lanzamos una pelota describe una parábola hasta cómo se orquestaba el movimiento de todos los cuerpos estelares.
Esto no significa que no hubiera paradojas y contradicciones en el modelo de Newton, sobre todo una que preocupó a los físicos del siglo XIX: ¿cómo sabía cada cuerpo de la existencia del otro para ejercer esa fuerza de atracción? ¿A qué velocidad se transmitía la gravitación (si para entonces ya se conocía la velocidad de la luz)?

En 1907, Einstein se dio cuenta de que una persona en caída libre no experimentaría un campo gravitacional (lo que ocurre precisamente con los astronautas en órbita alrededor de nuestro planeta). Esto le llevó a profundizar en las dudas existentes sobre la gravedad y cómo se relacionaba con la relatividad especial que había formulado un año antes y a enfrentar un problema que desafiaba a los físicos: el punto más cercano de la órbita de Mercurio alrededor del Sol avanzaba lentamente al paso del tiempo, de un modo que no se ajustaba a lo previsto por Newton.

La solución fue la relatividad general, presentada en 1915, en la que Einstein consideraba a la gravedad no como una fuerza del modo que lo es el electromagnetismo, sino como un efecto geométrico de un fenómeno totalmente inesperado: la curvatura del espaciotiempo provocada por la masa de los objetos (a mayor masa de un objeto, mayor curvatura espaciotemporal, provocando una mayor aceleración de los objetos que caen hacia él), del mismo modo en que un objeto sobre una cama elástica provoca una deformación hacia abajo. La gravedad, entonces, no afectaba únicamente a los cuerpos, sino también a la luz, en un fenómeno llamado “lente gravitacional” que se demostró en 1919, durante un eclipse en el cual se pudo observar que la luz de las estrellas que pasaba cerca del sol estaba ligeramente curvada.

Sin embargo, el modelo de Einstein tampoco carece de problemas. El principal es que la relatividad general funciona muy bien a nivel macroscópico, pero no es compatible con la mecánica cuántica, que describe las otras fuerzas o interacciones fundamentales del universo (el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil) a nivel subatómico, de modo que debemos avanzar hacia una nueva teoría de gravedad cuántica. Un candidato a este puesto es la teoría de cuerdas, que postula que las partículas elementales que forman el universo proceden de diminutos objetos que representamos como cuerdas que vibran… y entre esas partículas estaría el “gravitón”, una partícula virtual que nunca ha sido detectada pero que sería la transmisora o la mensajera de la gravedad.

Los físicos siguen trabajando, con desarrollos matemáticos de creciente complejidad que buscan ser un mejor modelo de cómo funciona esa fuerza evidente que nos mantiene “con los pies en el suelo”. Una fuerza que no por evidente ha revelado todos sus secretos.

Las predicciones de Einstein

La relatividad general de Einstein se traduce en una serie de predicciones físicas que han sido sólidamente comprobadas a lo largo de casi 100 años. Una que aún está pendiente es que existen “ondas gravitacionales” y se comportan de cierto modo. Dos proyectos, una futura antena orbital llamada LISA actualmente en estudio por la agencia espacial europea y un observatorio terrestre llamado LIGO que entrará en operación en 2013 en Livingston, Nueva Orléans, tienen la misión de encontrar esas ondas gravitacionales.