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Las curvas masivas del espacio tiempo

Pregúntale a Ethan: Si Las Masivas Curvas del Espacio tiempo, ¿cómo volverlos a alinear?
Forbes
 
Comenzó con una explosión. . .
El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras


Las curvas masivas del espacio tiempo
La curvatura del espacio-tiempo alrededor de cualquier objeto masivo está determinada por la combinación de masa y distancia del centro de masa. Otras preocupaciones, como la velocidad, la aceleración y otras fuentes de energía, deben tenerse en cuenta. Crédito de la imagen: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab

Por  Ethan Siegel, para Forbes Junio 9 de 2018
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas, exclusivamente.



La materia le dice al espacio cómo curvarse, y el espacio curvo le dice a la materia cómo moverse. Ese es el principio básico detrás de la Relatividad General de Einstein, que relacionó, por primera vez, el fenómeno de la gravedad con el del espacio-tiempo y la relatividad. Coloque una masa en cualquier parte del Universo, y el espacio a su alrededor se curvará en respuesta. Pero si quitas esa masa o la mueves a otra parte, ¿qué hace que el espacio-tiempo "retroceda" a su posición de no flexión? Esa es la pregunta de Ask Ethan sobre Edgar Carpenter, quien escribe:

Se nos enseña que la masa deforma el espacio-tiempo, y la curvatura del espacio-tiempo alrededor de la masa explica la gravedad, de modo que un objeto en órbita alrededor de la Tierra, por ejemplo, va en línea recta a través del espacio-tiempo curvo. Ok, eso tiene sentido, pero cuando la masa (como la Tierra) se mueve a través del espacio-tiempo y lo dobla, ¿por qué el espacio-tiempo no permanece doblado? ¿Qué mecanismo desencaja ese área del espaciotiempo a medida que la masa avanza?


Hay muchas cosas interesantes acerca de esta pregunta, y la respuesta es una que realmente puede ayudarlo a comprender cómo funciona realmente la gravedad.

universo
La curvatura del espacio, inducida por los planetas y el Sol en nuestro Sistema Solar, debe tenerse en cuenta para cualquier observación que realice una nave espacial u otro observatorio. Los efectos de la Relatividad General, incluso los sutiles, no pueden ser ignorados. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech, para la misión Cassini


Durante cientos de años antes de Einstein, nuestra mejor teoría gravitacional vino de Newton. El concepto de Newton del Universo era simple, directo y filosóficamente insatisfactorio para muchos. Afirmó que cualquier dos masas en el Universo, sin importar dónde estuvieran ubicadas o qué tan separadas estaban, se atraerían instantáneamente unas a otras a través de una fuerza mutua conocida como gravedad. Cuanto más masiva era cada masa, mayor era la fuerza, y más lejos estaban (al cuadrado), menor era la fuerza. Esto se aplicaría a todos los objetos en el Universo, y la Ley de Gravedad Universal de Newton, a diferencia de todas las otras alternativas presentadas, estuvo de acuerdo con las observaciones con precisión.

Albert Einstein
La ley de Newton de la Gravitación Universal ha sido reemplazada por la relatividad general de Einstein, pero se basó en el concepto de una acción instantánea (fuerza) a distancia. Crédito de la imagen: usuario de Wikimedia commons Dennis Nilsson

Pero introdujo una idea que muchos intelectuales de élite del día no pudieron aceptar: el concepto de acción a distancia. ¿Cómo podrían dos objetos ubicarse a la mitad del Universo de forma repentina e instantáneamente ejercer una fuerza el uno sobre el otro? ¿Cómo podrían interactuar desde tan lejos sin que intervenga algo para mediarlo? Descartes no pudo aceptarlo, y en su lugar formuló una alternativa donde había un medio por el que viajó la gravedad. El espacio está lleno de un tipo de materia, argumentó, y que a medida que una masa se movía a través de ella, desplazaba esa materia y creaba vórtices: una versión temprana del éter. Esta fue la primera en una larga lista de lo que se llamarían teorías mecánicas (o cinéticas) de la gravedad.

campo gravitatorio
En la visión de la gravedad de Descartes, había un éter que impregnaba el espacio, y solo el desplazamiento de la materia a través de él podía explicar la gravitación. Esto no condujo a una formulación precisa de la gravedad que coincidiera con las observaciones. Crédito de la imagen: René Descartes: Prinzipien der Philosophie, Teil 3

La concepción de Descartes, por supuesto, estaba equivocada. El acuerdo con el experimento es lo que determina la utilidad de una teoría física, no nuestra predisposición hacia ciertos criterios estéticos. Cuando llegó la Relatividad General, cambió la imagen que las leyes de Newton nos habían pintado de algunas formas fundamentales. Por ejemplo:

  • El espacio y el tiempo no eran absolutos y lo mismo en todas partes, sino que se relacionaban y se comportaban de forma diferente para los observadores que se movían a diferentes velocidades y en diferentes lugares.
  • La gravedad no es instantánea, sino que solo viaja a una velocidad límite: la velocidad de la luz.
  • Y esa gravitación no está determinada directamente por la masa y la posición, sino por la curvatura del espacio, que a su vez está determinada por el conjunto completo de materia y energía en todo el Universo.
  • La acción a distancia llegó para quedarse, pero la "fuerza de rango infinito a través del espacio estático" de Newton fue reemplazada por la curvatura del espacio-tiempo.

teoria general de la relatividad
La curvatura del espacio significa que los relojes que están más profundos en un pozo gravitacional y, por lo tanto, en un espacio más severamente curvado, corren a un ritmo diferente que los que se encuentran en una porción menos profunda y menos curva del espacio. Crédito de la imagen: NASA

Si el Sol desapareciera simplemente del universo, no lo sabríamos por un tiempo. La Tierra no volaría inmediatamente en línea recta; continúa orbitando la ubicación del Sol por otros 8 minutos y 20 segundos. No es la masa lo que determina la gravitación, sino la curvatura del espacio, que está determinada por la suma de toda la materia y energía que contiene.

Si quitaras el Sol, el espacio pasaría de estar curvado a ser plano, pero esa transformación no es instantánea. Debido a que el espacio-tiempo es una tela, esa transición tendría que ocurrir en algún tipo de movimiento de "ruptura", que enviaría grandes ondas, es decir, ondas gravitatorias, a través del Universo, propagándose hacia afuera como ondas en un estanque.

curvatura del espacio tiempo
Ya sea a través de un medio o en el vacío, cada onda que se propaga tiene una velocidad de propagación. En ningún caso la velocidad de propagación es infinita, y en teoría, la velocidad a la que se propagan las ondas gravitatorias debe ser la misma que la velocidad máxima en el Universo: la velocidad de la luz. Crédito de la imagen: Sergiu Bacioiu de Rumania

La velocidad de esas ondas se determina de la misma manera que la velocidad de cualquier cosa se determina en la relatividad: por su energía y su masa. Como las ondas gravitacionales carecen de masa pero tienen una energía finita, deben moverse a la velocidad de la luz. Lo que significa, si lo piensas bien, que la Tierra no se siente atraída directamente por la ubicación del Sol en el espacio, sino más bien a donde se encontraba el Sol hace poco más de 8 minutos.

Las curvas masivas del espacio tiempo
La radiación gravitatoria se emite siempre que una masa orbita alrededor de otra, lo que significa que en escalas de tiempo lo suficientemente largas, las órbitas se desintegrarán. Algún día en el futuro, la Tierra girará en espiral hacia lo que quede del Sol, suponiendo que nada más lo haya expulsado previamente. La Tierra se siente atraída hacia donde estaba el Sol hace aproximadamente 8 minutos, no hacia donde se encuentra en este momento. Crédito de la imagen: American Physical Society

Esto es extraño, y potencialmente un problema, debido a lo bien estudiado que está el Sistema Solar. Si la Tierra se hubiera visto atraída por la posición del Sol ~ 8 minutos atrás usando las Leyes de Newton, las órbitas de los planetas no coincidirían con las observaciones. Sin embargo, hay otra manera en que la relatividad general es diferente. También necesita tener en cuenta la velocidad del planeta en órbita a medida que se mueve alrededor del Sol.

La Tierra, por ejemplo, ya que también se está moviendo, tipo de "paseos" sobre las ondas que viajan a través del espacio, bajando en un punto diferente desde donde fue levantado. Hay dos nuevos efectos en la Relatividad General que hacen que esta teoría sea muy diferente de la de Newton: la velocidad de cada objeto afecta la forma en que experimenta la gravedad, y también lo hacen los cambios que ocurren en los campos gravitacionales.

universo
La tela del espacio-tiempo, ilustrada, con ondulaciones y deformaciones debido a la masa. La estructura de las curvas espaciales, sin duda, pero a medida que las masas se mueven a través de un campo gravitacional cambiante, suceden muchas cosas interesantes.

Si desea calcular qué es la curvatura del espacio-tiempo en cualquier punto del espacio, la Relatividad General le permite hacerlo, pero necesita saber algunas cosas. Necesita conocer las ubicaciones, magnitudes y distribuciones de todas las masas en el Universo, tal como Newton lo exigió. Pero también necesita información sobre:

  • cómo se mueven esas masas y cómo se han movido con el tiempo,
  • cómo se distribuyen todas las otras formas de energía (no masivas),
  • cómo el objeto desde el que estás observando / midiendo se está moviendo en un campo gravitacional cambiante,
  • y cómo la curvatura espacial está cambiando con el tiempo.

Solo con esas piezas adicionales de información puede calcular cómo se curva el espacio para usted en una ubicación particular en el espacio y el tiempo.

Albert Einstein
No son solo las ubicaciones y las magnitudes de las masas las que determinan cómo funciona la gravedad y cómo evoluciona el espacio-tiempo, sino cómo esas masas se mueven entre sí y aceleran a través de un campo gravitatorio cambiante a lo largo del tiempo. Crédito de la imagen: David Champion, Instituto Max Planck de Radioastronomía

Sin embargo, tiene que haber un costo para esta flexión e inflexión. No se puede simplemente mover, digamos, una Tierra en aceleración a través del cambiante campo gravitatorio del Sol y no tener consecuencias. De hecho, está allí, aunque es pequeño, y se puede probar. A diferencia de la teoría de Newton, donde la Tierra debería trazar una elipse cerrada mientras orbita el Sol, la Relatividad General predice que esta elipse debería preceder con el tiempo, y que la órbita debería decaer muy lentamente. Puede tomar mucho más tiempo que la edad del Universo para hacerlo, pero no sería arbitrariamente estable.

Antes de medir alguna de las ondas gravitatorias, de hecho, este era el método principal que teníamos para medir la velocidad de la gravedad. No para la Tierra, pero un sistema extremo donde los cambios orbitales se observan fácilmente: para un sistema de órbita apretada que contiene al menos una estrella de neutrones.


link: https://www.youtube.com/watch?v=PtXf5MYsqpE

Los efectos más grandes aparecerán para un objeto masivo que se mueve con una velocidad que cambia rápidamente a través de un campo gravitacional fuerte y cambiante. ¡Eso es lo que nos brinda una estrella de neutrones binarios! Cuando una o ambas estrellas de neutrones orbitan, pulsan, y los pulsos son visibles para nosotros aquí en la Tierra cada vez que el polo de una estrella de neutrones pasa a través de nuestra línea de visión. Las predicciones de la teoría de la gravedad de Einstein son increíblemente sensibles a la velocidad de la luz, tanto que incluso desde el primer sistema de pulsar binario descubierto en la década de 1980, PSR 1913 + 16 (o el binario Hulse-Taylor), hemos limitado el ¡la velocidad de la gravedad es igual a la velocidad de la luz con un error de medición de solo 0.2%!

campo gravitatorio
La tasa de desintegración orbital de un púlsar binario depende en gran medida de la velocidad de la gravedad y de los parámetros orbitales del sistema binario. Hemos utilizado datos de púlsares binarios para restringir la velocidad de la gravedad para que sea igual a la velocidad de la luz con una precisión del 99.8%. Crédito de la imagen: NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomía / Michael Kramer (R)

Solo con estos púlsares binarios, aprendimos que la velocidad de la gravedad debe estar entre 2.993 × 10⁸ y 3.003 × 10⁸ metros por segundo. Podemos confirmar la Relatividad General y descartar la gravedad de Newton y muchas otras alternativas. Pero no se requiere un mecanismo para explicar por qué el espacio no está curvado cuando la masa estuvo allí y ahora no; La relatividad general en sí misma es la explicación. Una masa que se acelera a través de un campo gravitatorio cambiante irradiará energía, y esa energía radiada se mueve a través del tejido del espacio conocido como ondas gravitacionales. Sin materia o energía allí por más tiempo, no hay nada para mantener la curvatura en el espacio. El retorno a su equilibrio, estado no curvado, ocurre naturalmente, y simplemente da como resultado radiación gravitacional. No necesita una explicación adicional. La relatividad general lo resuelve todo.

¡Envía tus preguntas sobre Ask Ethan a startswithabang en gmail dot com!

El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.

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13 comentarios - Las curvas masivas del espacio tiempo

LachampionsMina -21
Teorias, teorías y... mas teorías... nada demostrado.
putalocuraaa +18
esta recontra demostrado, comenta menos y lee mas.
Bombarderoesfero
@putalocuraaa Y precisamente las teorías hacen parte del método científico para demostrar, pero bueno
EisenDracheN +4
No entiendo una pija, entre para ver dibujitos piola del espacio. Salu342
elpoderdelsaber
todo esta en moviminto, todo cambia de posicion y estado, nada vuelve a repetir una misma posición en el espacio nunca, NO EXISTE LO ESTATICO Y "LA NADA" ES SOLO UN CONCEPTO MENTAL.
jonatansierrax
EN UN PRINCIPIO SOLOE EXISTIA NADA Y NADA SE SINTIO SOLA HASTA QUE SE DIO CUENTA QUE... ERA OBSCURIDAD Y HBITABA EN UN ESPACIO TIEMPO VACIO.... ESTO HIZO SENTIR SOLA A OBSCURIDAD Y DE SU TRISTEZA NACIO LUX
RoodGlw
No entendí ni una mierda
elrojooctubre
el espacio es curvo y nada es estatico.(estamos sobre una manta)
ViolenciaRivaz -4
y si todo esta en movimiento, por que siempre son las mismas constelaciones de estrellas que hace años?
sanfonta +1
porque tardan en cambiar, pero de aca a muchos años se notariai un pequeño cambio
Bombarderoesfero
La última vez que el sistema solar estaba en la ubicación que tiene ahora en la galaxia fue hace unos 200 millones de años, es decir cuando empezaron a aparecer los dinosaurios, empezamos a registrar constelaciones hace unos cuantos miles de años, no es suficiente tiempo como para ver un cambio importante.
kennyvelazo +1
Tenemos metido en el cerebro el esquemita del sistema solar que nos enseñaron en la primaria, pero hay que pensar que así como la tierra se mueve alrededor del sol, este se

link: https://www.youtube.com/watch?v=eSNPXwIe5JQ
mueve también alrededor del centro de la galaxia, esta también se mueve, etc... se ve mas o menos así...
betelijah +2
Eso es cuando compones 2 movimientos el de rotación de los planetas y el de traslación del sol orbitando el centro galáctico. .. pero las velocidades están trucadas igual que las escalas....
kennyvelazo
@betelijah Estuve buscando una película filmada desde afuera, pero nos va a tocar conformarnos con esta animación 3d...
KapneR
Re flashero mirar documentales sobre astrofisica mientras fumas un churrito
neutral24 +1
Milei irrefutable dando cátedra contra el aborto
larbeta
vieja alta info, comento para leerlo mañana tranqui, salen puntines, te iba a seguir pero ya te estaba siguiendo salu2