Desde que aprendemos a caminar, la gravedad se hace presente en nuestras vidas: cuando tropezamos, luchamos por mantener el equilibrio y así evitar caer. Pero su influencia va mucho más allá. También está presente, por ejemplo, cuando usamos el GPS en nuestros teléfonos para ubicarnos o calcular el tiempo de llegada a algún destino. En realidad, la gravedad nos acompaña a lo largo de toda nuestra existencia.
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De hecho, le debemos nuestra existencia: fue la gravedad la que formó la Tierra y los demás planetas, la que dio origen al Sol, a la Vía Láctea y a millones de galaxias que aún seguimos descubriendo. Hoy contamos con desarrollos tecnológicos que dependen de la gravedad, pero su comprensión como fenómeno natural comenzó a tomar forma de manera más rigurosa en el siglo XVII, con los primeros avances científicos que buscaron describirla de manera sistemática.
Objetos en caída libre y el movimiento planetario
Antes de ser un lugar turístico por su atractiva inclinación, se dice que la Torre de Pisa fue el lugar en donde Galileo Galilei realizó experimentos llamados de Caída Libre: Galileo soltaba objetos desde lo alto de la torre y observo que independientemente de la masa y el material de los objetos, todos caían con la misma aceleración. Además, los cuerpos caen siguiendo trayectorias en líneas rectas paralelas hasta chocar con el suelo. Si bien no hay escritos de Galileo que registren tales experimentos, en su obra “Discurso y demostración matemática, en torno a dos nuevas ciencias” (1638) publicó los resultados de sus estudios sobre el movimiento y la caída libre de los cuerpos.1
Es importante mencionar que Galileo realizó diversos experimentos para entender el movimiento de los cuerpos, pero su enfoque científico fundamentado en las matemáticas lo llevó a poder realizar lo que conocemos como experimentos mentales, que utilizan el razonamiento y la lógica apoyados de cálculos matemáticos (algo que Einstein también hacía con frecuencia, como veremos más adelante). Podemos decir, entonces, que Galileo es el precursor del enfoque moderno en la investigación científica, al integrar de manera fundamental la teoría con la observación experimental, sentando las bases de un método que hoy también incorpora herramientas computacionales.
Con la invención del telescopio a inicios del siglo XVII por parte del fabricante de lentes Hans Lipperhey en 1608 y de manera independiente por Galileo en 1609, hubo muchas contribuciones en el campo de la astronomía aunque no se entendía porqué los planetas se movían de la manera en la que lo hacen. Pasarían unos 80 años para que otro avance importante en la comprensión de la gravedad se diera.2
Se trata del legado que dejó Sir Isaac Newton, cuando en 1687 publica su obra “Principios Matemáticos de la Filosofía Natural”, donde Newton expone los fundamentos de la física y la astronomía en un lenguaje matemático, sintetizando el movimiento de los cuerpos en sus famosas Leyes de Newton (las que nos enseñan en la escuela) y, en cuanto al movimiento planetario, en la Ley de Gravitación Universal.3
Un relato muy popular sucede durante la Gran Peste que asechó a Inglaterra en 1666: mientras Newton estaba sentado bajo un árbol de manzanas en el patio de su casa, le cae una manzana en la cabeza – posteriormente se le ocurre la idea de cómo funciona la gravedad. Los registros que existen son anécdotas de terceros que cuentan que, al haber visto una manzana caer, pudo darle la inspiración a Newton para su trabajo sobre la gravedad.4 De cualquier manera, ¿qué tiene que ver la caída de una manzana con el movimiento planetario? Newton fue quien comprendió que ambos fenómenos son una manifestación de los mismo: la gravedad.
La gravedad de Newton
La manera en la que Newton plantea la acción de la gravedad es usando el concepto de fuerza, muy distinta a la de los Jedi y los Sith en Star Wars. Podemos pensar en la fuerza como una magnitud que genera un impulso en los cuerpos que hace que se aceleren. Además, la fuerza tiene un dirección que apunta a donde se aplique: si aplicamos una fuerza de empuje a una caja, esta se va a acelerar en la dirección en la que la estamos empujando. Pues bien, de acuerdo a Newton, la fuerza de gravedad es generada por la Tierra debido a su enorme masa que hace que todas las cosas caigan hacia su superficie.
La masa de la Tierra es de unos 6,000,000,000,000,000,000,000,000 kg.
Si lanzamos una manzana hacia adelante, lejos de nosotros, la manzana se irá desplazando en el aire pero eventualmente la fuerza de gravedad de la Tierra la volverá a atraer al suelo. Hagamos como Galileo un experimento mental: supongamos que tenemos un brazo superpoderoso, de tal forma que podemos lanzar la manzana tan lejos como queramos. Al hacer lanzamientos de prueba, podemos hacer llegar la manzana lo suficientemente lejos como para que caiga en algún otro lugar del planeta – como siempre estará atraída por la gravedad terrestre terminará cayendo sobre la superficie.
Sin embargo, si lanzamos la manzana lo suficientemente fuerte, podremos hacer que la manzana recorra una órbita completa alrededor de la Tierra antes de que vuelva a caer. De esta manera, la caída de la manzana es lo mismo a que se quede orbitando, “cayendo” siempre alrededor del planeta justo como lo hace la Luna y como lo hacen los planetas alrededor del Sol.
De fuerza a geometría: la visión moderna de la gravedad
La manera en la que entendemos la gravedad hoy en día se debe al trabajo realizado por Albert Einstein en sus estudios sobre la relatividad del movimiento. En particular, el gran aporte de Einstein con su Teoría de la Relatividad General (1915),5 fue descubrir que el espacio y el tiempo no son entidades “rígidas”, en el sentido de que el espacio sea simplemente un escenario fijo donde ocurren las cosas, y el tiempo transcurra de la misma manera para todos los cuerpos en movimiento.
Seguramente has escuchado decir que la distancia más corta entre dos puntos es una línea recta. Eso es cierto, si el espacio entre esos dos puntos es plano. Si los puntos se encuentran en una geometría distinta, por ejemplo esférica como una pelota de baloncesto u otra geometría llamada hiperbólica como la de una papa para botanear, la distancia más corta entre los dos puntos ya no será una línea recta y más bien será alguna línea curva.
Así, surge un concepto importante: la curvatura. Quizás también has escuchado que dos líneas paralelas nunca se tocan lo cual, de nuevo, es cierto solo en un espacio plano. Imagina lo siguiente conmigo: regresamos al experimento de caída libre y como observó Galileo, los objetos caen siguiendo trayectorias paralelas dirigiéndose hacia el suelo. Pero en realidad, todos los cuerpos son atraídos por la gravedad hacia el centro de la Tierra.
Si recrearamos el experimento de caída libre de Galileo, pero esta vez desde el espacio exterior y en diferentes lugares del planeta, observíamos que los objetos caen hacia la Tierra y sus trayectorias no son paralelas entre sí (así es, acabamos de hacer un experimento pensado). De esta manera, lo que Einstein nos enseña es que la gravedad es una manifestación geométrica del espacio. Es como si el planeta hundiera el espacio a su alrededor y los objetos al sentir esta hendidura caen hacia la Tierra, o como la Luna, queda girando a su alrededor.
Asímismo la curvatura que produce la gravedad del Sol mantiene a todos los planetas orbitando a su alrededor. Pero hay otros fenómenos interesantes producidos por la gravedad, como por ejemplo, su injerencia en el paso del tiempo.
Gravedad: La dilatación del tiempo
Uno de los aspectos más interesantes que descubrió Einstein es que la gravedad también afecta al tiempo. El mismo Salvador Dalí se inspiró en estas ideas de que el tiempo es relativo y flexible en su obra “La Persistencia de la Memoria” (1931).6 El paso del tiempo cambia dependiendo de cuán intensa es la gravedad. Mientras más cerca estemos de un cuerpo que produce gravedad, más lento transcurre el tiempo. Por el contrario, mientras más alejados del la fuente gravitacional, más rápido pasará el tiempo.
Esto a lo mejor te puede sonar familiar si has visto la película “Interestelar”. Pero más allá de la ciencia ficción, este es un efecto que existe y se ha verificado. Lo que sucede es que, aunque el paso del tiempo se ve afectado por la gravedad, en nuestra percepción humana el efecto es tan pequeño que resulta prácticamente imperceptible para nosotros. Aún así, cuando estamos de pie en algún lugar, la parte inferior de nuestro cuerpo experimenta una gravedad ligeramente mayor que la parte superior. Como resultado, el tiempo transcurre un poco más lento en nuestros pies que en nuestras cabezas.
Gracias a Einstein, el mapa de tu celular te lleva al lugar correcto.
Este efecto se ha verificado. Recientemente un conjunto de relojes atómicos ha sido enviado a órbita y será posible comparar el paso del tiempo en el espacio exterior con el paso del tiempo en Tierra, con una precisión de 0.00000000000000001 segundos. El funcionamiento correcto del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) se debe en gran parte a que se incluye este efecto gravitacional sobre tiempo. Si no fuese así, las ubicaciones podrían tener errores de decenas de kilómetros al día. Así que gracias a Einstein, el mapa de tu celular te lleva al lugar correcto.
A continuación, te compartimos algunos efectos gravitacionales que hoy se observan en contextos astronómicos y cosmológicos. Estos fenómenos no solo han revelado aspectos fundamentales sobre la geometría del espacio y del tiempo, sino también sobre la composición y el contenido de materia del universo.
Efecto óptico con gravedad y olas espaciotemporales
Cuando la luz de una estrella o galaxia distante pasa cerca de un objeto muy masivo – como otra galaxia o un cúmulo de galaxias –, la gravedad de ese objeto curva el espacio a su alrededor, haciendo que la luz se desvíe de su trayectoria rectilínea. Este efecto, conocido como lente gravitacional, es como si la gravedad actuara como una lupa cósmica.
Gracias a este fenómeno, los astrónomos pueden observar objetos muy lejanos y débiles en luminosidad, estudiar la distribución de la materia y medir la expansión del universo. Es una de las pruebas más impresionantes de que la gravedad no solo afecta a los objetos, sino también al camino que recorre la luz. Con mediciones de este fenómeno, el Observatorio Vera C. Rubin buscará pistas sobre la enigmática materia oscura.
Ondas Gravitacionales
Otro fenómeno que la teoría de Einstein predijo hace más de un siglo, y que apenas en 2015 se reportó por primera vez su detección, es el de las ondas gravitacionales.7 Estas son pequeñas ondulaciones en el espaciotiempo que se propagan como olas cuando ocurren eventos cósmicos muy violentos, como la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones. Como analogía, imagina que ocurre una explosión muy lejos, y su estallido se propaga desde el lugar de la explosión hasta nuestros oídos: se propagó una onda de sonido.
De manera similar, cuando ocurre un colisión tan monumental como la de dos estrellas de neutrones o agujeros negros, una onda de espaciotiempo se propaga hasta nosotros. Hoy en día ya somos capaces de detectar estas ondas mediante instrumentos científicos. Por la misma analogía decimos que ahora no solo vemos el universo sino que también “lo escuchamos”. Las ondas gravitacionales nos permiten estudiar fenómenos invisibles, extremos, y aportan información adicional a la que obtenemos al solo ver la luz de objetos distantes, abriendo una nueva rama de la ciencia y la astronomía.
El éxito de Newton y Einstein radicó en haber comprendido el fenómeno físico de la gravedad y en haber formulado marcos teóricos consistentes para su descripción. Ambos modelos han sido confirmados una y otra vez mediante observaciones y experimentos, demostrando su capacidad para describir con precisión el comportamiento gravitacional del universo.
“Si he logrado ver más lejos, es por haberme parado sobre hombros de gigantes.” – Isaac Newton
El desarrollo matemático y físico que dieron lugar tanto a Newton como a Einstein a formular sus teorías sobre la gravedad, se basa en parte en los aportes de otros científicos que los antecedieron. En el caso de Newton, tomó contribuciones importantes de Nicolás Copérnico, Tycho Brahe, Galileo Galilei, Johannes Kepler, René Descartes. Por su parte, la Teoría de la Relatividad de Einstein se basa en modificaciones a las ideas de Galileo sobre el movimiento, así como avances hechos por Carl Friedrich Gauss, Hendrik Lorentz, Henri Poincaré, Marcel Grossmann, Bernhard Riemann, Hermann Minkowski. Como el mismo Newton dijo: “si he logrado ver más lejos, es por haberme parado sobre hombros de gigantes.”8
Fuentes y referencias
- Alessandro De Angelis, “Galileo Galilei’s “Two New Sciences””, 2021 ↩︎
- Vadim Semjonov, “¿Quién inventó el telescopio?”, 03 diciembre 2023 ↩︎
- Traducción de Eloy Rada, “Philosophiæ naturalis principia mathematica”, 1687 ↩︎
- José Manuel Montejo Bernardo, “¿De verdad recibió Newton un manzanazo?”, 27 noviembre 2019 ↩︎
- Diana Saavedra, “Teoría de la relatividad de Einstein, vigente”, 30 julio 2018 ↩︎
- Emilia Bolaño, “La persistencia de la memoria”, 28 julio 2017 ↩︎
- LIGO y Virgo Collaborations, “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”, 11 febrero 2016 ↩︎
- Digital Library, “Isaac Newton letter to Robert Hooke”, 05 febrero 1675 ↩︎
Esta entrada tiene 2 comentarios
¡Los gráficos están geniales!
Estimado Dr. Linares y equipo de Vaso Cósmico:
¡Gracias por el fascinante artículo “Gravedad: la fuerza que curva el espacio y distorsiona el tiempo”! Su claridad para explicar la relatividad y el tejido cósmico invita a maravillarse. Felicito al Dr. Linares por desentrañar con maestría conceptos complejos, haciendo accesible lo abstracto. Motivación pura y de lenguaje sencillo para seguir explorando los misterios del universo, especialmente con los niños curiosos del tema. ¡Más artículos así, por favor!