La fascinante fuerza de la gravedad

HACE unos trescientos años, Isaac Newton teorizó sobre el funcionamiento de la fuerza de la gravedad. Imaginó a un hombre arrojando un objeto desde la cima de una montaña extraordinariamente alta. Si se limitaba a dejarlo caer, el objeto se precipitaría hacia abajo, al suelo, como lo haría una manzana que cayera de un árbol.

Sin embargo, si lo arrojaba hacia adelante, caería al suelo siguiendo una trayectoria curva. De modo que Newton razonó que si se arrojaba con la suficiente fuerza, daría vueltas en órbita alrededor de la Tierra.

Gracias a esta teoría, pudo ver la relación existente entre la gravedad y los movimientos de la Luna y los planetas: la Luna se mueve siguiendo una órbita alrededor de la Tierra debido a la atracción de la gravedad de esta, y los planetas siguen en sus órbitas por la gravedad del Sol.

Una ley universal

Después de mucho estudio, Newton formuló una descripción matemática precisa de esta ley universal. Sus ecuaciones decían, en términos sencillos, que todos los objetos —pequeños o grandes— se atraen entre sí, y que la fuerza de esa atracción está en función de la masa de los objetos y de la distancia que los separa.

Aunque con algunos retoques, los científicos todavía usan las fórmulas básicas de Newton sobre la gravedad, en particular a la hora de preparar proyectos espaciales, como el de enviar sondas espaciales al encuentro del cometa Halley en 1985. De hecho, el astrónomo inglés Edmond Halley, colega de Newton, utilizó las teorías de este para predecir el año en que volvería a aparecer dicho cometa.

Los descubrimientos de Newton sobre la gravedad le permitieron entrever el orden manifiesto en el universo, un orden proveniente de diseño inteligente. No obstante, su trabajo de ningún modo ha supuesto la última palabra sobre el tema. A comienzos de este siglo hubo científicos que se dieron cuenta de que algunos aspectos de las teorías newtonianas eran deficientes, hasta inconsecuentes.

Einstein y la gravedad

En 1916 Albert Einstein formuló su teoría general de la relatividad. Su sobresaliente descubrimiento fue que la gravedad no solo da forma al universo, sino que también gobierna nuestra manera de verlo y medirlo. Incluso afecta la manera de medir el tiempo.

También en este caso una ilustración nos ayudará a entenderlo. Imagínese que el espacio es como una superficie de goma sin límites. Si colocáramos un objeto sobre esta estera flexible, se produciría una depresión. Según el modelo de Einstein, la Tierra, el Sol y las estrellas son como esos objetos colocados sobre una estera flexible, que hacen que el espacio se curve. Si se hace rodar otro objeto sobre la superficie de goma, la zona hundida que hay alrededor del primer objeto desviará su trayectoria, haciéndole describir una curva.

De manera similar, la Tierra, los planetas y las estrellas se mueven según trayectorias curvas, siguiendo las “depresiones” naturales que hay en el espacio. Hasta los rayos de luz sufren una desviación cuando pasan cerca de objetos grandes del universo. Además, las ecuaciones de Einstein predecían que la luz que viajaba en dirección contraria a la gravedad perdería algo de su energía, como lo indicaba un ligero desplazamiento de las líneas del espectro hacia el rojo. Los físicos denominan a este fenómeno desplazamiento gravitacional hacia el rojo.

Por consiguiente, además de aclarar las discrepancias que surgen de los descubrimientos de Newton, la teoría de Einstein reveló nuevos secretos sobre el funcionamiento de la gravedad en el universo.

Efectos fascinantes

La capacidad que tiene la gravedad de afectar la trayectoria de la luz da origen a algunas consecuencias asombrosas observadas por los astrónomos.

A los que viajan por los desiertos les resultan familiares los espejismos: ilusiones ópticas que tienen la apariencia de agua que reluce sobre el suelo. Hoy día los astrónomos han fotografiado “espejismos” cósmicos. ¿Qué son?

La luz procedente de un objeto distante, que se cree que es el núcleo activo de una galaxia y que recibe el nombre de quásar (objeto cuasiestelar), atraviesa galaxias que interceptan la línea de mira desde la Tierra. Cuando la luz atraviesa las galaxias, las fuerzas gravitatorias tuercen su trayectoria. El torcimiento de la luz forma dos o más imágenes de un único quásar. Un observador terrestre, que piensa que la luz ha venido directamente hacia él, llega a la conclusión de que ve más de un objeto.

Otro fascinante aspecto que surge de la labor de Einstein tiene que ver con los agujeros negros. ¿Qué son y cuál es su relación con la gravedad? Un sencillo experimento da la respuesta.

Trate de arrojar un objeto por encima de su cabeza. Notará que llega a cierta altura, se detiene por un momento y vuelve a caer al suelo. Con la luz es diferente. Un rayo de luz puede escapar de la gravedad de la Tierra porque viaja a suficiente velocidad.

Supongamos ahora que la fuerza de la gravedad fuese mucho mayor, lo suficiente como para impedir que hasta la luz escapase. De un objeto así no podría salir nada. El mismo objeto sería invisible, porque ninguna luz sería capaz de escapar de su gravedad y llegar a los ojos de un observador exterior, de ahí el nombre de agujero negro.

El astrónomo alemán Karl Schwarzschild fue el primero en demostrar en teoría la existencia de los agujeros negros. Aunque hasta ahora no hay ninguna prueba inequívoca de que de verdad existan agujeros negros en el universo, los astrónomos han identificado a varios posibles candidatos. Los agujeros negros también podrían ser las fuentes energéticas enigmáticas de los quásars.

Ondas de gravitación

Sobre la base de los trabajos de Einstein, también podemos afirmar que la gravedad es como una red invisible que todo lo enlaza y que mantiene el universo unificado. ¿Qué sucede cuando esa red sufre alguna perturbación?

Volvamos a la ilustración de la superficie de goma. Supongamos que un objeto que está encima de esta superficie de repente es empujado de un lado a otro. Las vibraciones generadas en la superficie afectarán a los objetos cercanos. De manera similar, si una estrella fuese “empujada” violentamente, podrían generarse en el espacio ondulaciones, u ondas de gravitación. Los planetas, estrellas o galaxias que estuvieran en el camino de una onda de gravitación experimentarían que el mismo espacio se contrae y se expande, como si se tratase de una superficie de goma que vibrase.

En vista de que hasta ahora no se han detectado dichas ondas, ¿qué prueba tienen los científicos de que la teoría de Einstein es correcta? Una de las mejores indicaciones procede de un sistema estelar conocido como púlsar binario. Consiste en dos estrellas de neutrones que describen una órbita alrededor de un centro común, con un período orbital de unas ocho horas.a Una de estas estrellas es también un púlsar, una radiofuente que emite impulsos a intervalos regulares que corresponden al tiempo de su rotación, produciendo un efecto parecido al del rayo de luz procedente de un faro. Gracias a la precisa duración de las pulsaciones del púlsar, a los astrónomos les es posible dibujar la órbita de las dos estrellas con gran precisión. Han comprobado que los períodos orbitales disminuyen con lentitud, en total concordancia con la teoría de Einstein de que se emiten ondas de gravitación.

Los efectos de estas ondas de gravitación sobre la Tierra son infinitesimales. Vamos a ilustrarlo: el 24 de febrero de 1987 los astrónomos lograron ver una supernova, una estrella que pasa por una transformación espectacular, pues brilla con el resplandor de millones de soles al irse desprendiendo de sus capas exteriores. Las ondas de gravitación producidas por la supernova solo causarían en la Tierra un temblor de una intensidad equivalente a una millonésima del diámetro de un átomo de hidrógeno. ¿A qué obedece un cambio tan pequeño? A que para cuando las ondas llegasen a la Tierra, la energía se habría esparcido a lo largo de una enorme distancia.

Desconcertante

A pesar de que los conocimientos sobre la gravedad han aumentado mucho, algunos aspectos fundamentales todavía desconciertan a los científicos. Por mucho tiempo se ha afirmado que básicamente existen cuatro fuerzas (interacciones): la fuerza electromagnética —responsable de la electricidad y el magnetismo—, la interacción débil y la fuerte —que actúan dentro del núcleo del átomo— y la fuerza de la gravedad. Pero, ¿por qué hay cuatro? ¿Pudiera darse el caso de que las cuatro fuesen manifestaciones de una sola fuerza fundamental?

Hace poco se ha demostrado que la fuerza electromagnética y la interacción débil son manifestaciones de un fenómeno subyacente —la interacción electrodébil—, y hay teorías, llamadas teorías de gran unificación, que incluyen también la interacción fuerte. Sin embargo, todas estas dejan fuera la fuerza de la gravedad, que parece no encajar con las demás.

Los científicos esperan que experimentos recientes llevados a cabo en el manto de hielo de Groenlandia ofrezcan algunas pistas. Las mediciones efectuadas en un pozo de 2.000 metros de profundidad parecían indicar que la fuerza de la gravedad difería de lo que se esperaba. Experimentos anteriores, llevados a cabo en la profundidad de pozos de minas y en lo alto de torres de televisión, indicaron de igual modo que algo misterioso hacía que los resultados no se ajustasen a las predicciones del modelo newtoniano de la gravedad. Mientras tanto, algunos teóricos tratan de desarrollar un nuevo enfoque matemático: la “teoría de las supercuerdas”, que pretende la unificación de las fuerzas de la naturaleza.

La gravedad es esencial para la vida

Los descubrimientos de Newton y Einstein demuestran que hay leyes que gobiernan los movimientos de los cuerpos celestes y que la gravedad actúa como fuerza de cohesión que mantiene el universo unificado. En un artículo de la revista New Scientist, un profesor de Física llamó la atención a que estas leyes dan muestras de diseño, y dijo: “El cambio más pequeño en las intensidades relativas de las fuerzas relacionadas con la gravedad y el electromagnetismo podría convertir estrellas como el Sol en gigantes azules o enanas rojas. Parece que alrededor de nosotros vemos prueba de que la naturaleza ha calculado todo con una exactitud precisa”.

No podríamos existir sin la gravedad. Piense por un momento: impide que el Sol se desintegre, sosteniendo sus reacciones nucleares, las cuales nos suministran el calor y la luz que necesitamos; mantiene el movimiento de rotación de la Tierra sobre sí misma y el de traslación alrededor del Sol —que resultan en el día, la noche y las estaciones—, e impide que salgamos disparados de la Tierra, como lo hace el barro de una rueda que gira. La atmósfera terrestre se mantiene en su lugar gracias a la fuerza de la gravedad, y la atracción de la gravedad del Sol y de la Luna generan mareas regulares que permiten que las aguas de nuestros océanos circulen.

Gracias a una minúscula concreción localizada en nuestro oído interno (otolito), sentimos la gravedad y aprendemos a tomarla en cuenta desde la infancia cuando caminamos, corremos o saltamos. A los astronautas les resulta mucho más difícil hacer eso cuando tienen que enfrentarse a condiciones de gravedad cero en los vuelos espaciales.

Sí, la gravedad contribuye a que la vida en la Tierra sea normal para nosotros. Sin lugar a dudas es un ejemplo fascinante de las “maravillosas obras” de nuestro Creador. (Job 37:14, 16.)

[Nota a pie de página]

[Ilustración en la página 16]

La ley de la gravedad enunciada por Newton afirma que en el vacío una pluma caería a la misma velocidad que una manzana

[Ilustración en la página 18]

Desde la infancia, una minúscula concreción localizada en el oído nos ayuda a tomar en cuenta la fuerza de la gravedad y a mantener el equilibrio

[Ilustración en la página 17]

La luz se tuerce en el espacio cuando pasa a través del campo gravitatorio de otros cuerpos