Pregúntele a Ethan: si la masa se dobla espacio-tiempo, ¿cómo se endereza?

La curvatura del espacio-tiempo cerca de cualquier objeto masivo está determinada por la combinación de masa y distancia al centro de masa. Es necesario tener en cuenta otros parámetros, como la velocidad, la aceleración y otras fuentes de energía.

La materia le dice al espacio cómo doblar, y el espacio curvo le dice a la materia cómo moverse. Este es el principio básico de la relatividad general de Einstein, que por primera vez conectó un fenómeno como la gravedad con el espacio-tiempo y la relatividad. Coloque la masa en cualquier parte del universo, y el espacio a su alrededor reaccionará por curvatura. Pero si retira la masa o la mueve, ¿qué hace que el espacio-tiempo "caiga en su lugar", asumiendo una posición sin distorsiones? Tal pregunta es hecha por nuestro lector:

Se nos enseña que la masa deforma el espacio-tiempo, y la curvatura del espacio-tiempo alrededor de la masa explica la gravedad; por ejemplo, un objeto en órbita alrededor de la Tierra en realidad se mueve en línea recta sobre el espacio-tiempo curvo. Supongamos que esto tiene sentido, pero cuando una masa (como la Tierra) se mueve a través del espacio-tiempo y se dobla, ¿por qué el espacio-tiempo no permanece curvado? ¿Qué mecanismo endereza este tramo de espacio-tiempo cuando la masa avanza?

Hay muchas cosas interesantes relacionadas con esta pregunta, y la respuesta realmente puede ayudarlo a comprender cómo funciona la gravedad.


La curvatura del espacio, dada por los planetas y el Sol en nuestro sistema solar, debe tenerse en cuenta en el proceso de cualquier observación que pueda hacer una nave espacial u otro observatorio. Los efectos de la relatividad general, incluso los más pequeños, no pueden ser ignorados.

Cientos de años antes de Einstein, Newtonian era nuestra mejor teoría de la gravedad. El concepto del universo de Newton era simple, directo y filosóficamente no satisfizo a muchos. Dijo que cualquiera de las dos masas del Universo, independientemente de su ubicación y distancia, se atraen instantáneamente con la ayuda de una fuerza mutua, conocida como gravedad. Cuanto más masivo sea cada cuerpo, mayor será la fuerza, y cuanto más lejos estén ubicados, menor será la fuerza (disminuyendo con el cuadrado de la distancia). Esto se aplica a todos los objetos del Universo, y la ley de gravitación universal de Newton , a diferencia de todas las otras alternativas existentes, idealmente coincidía con las observaciones.


La ley de gravitación universal de Newton, reemplazada por la teoría de la relatividad de Einstein, se basó en la acción instantánea de las fuerzas a distancia

Pero introdujo una idea que muchas de las mejores mentes de la época no podían aceptar: el concepto de acción a distancia. ¿Cómo pueden dos objetos localizados en diferentes extremos del universo afectarse repentina e instantáneamente entre sí? ¿Cómo pueden interactuar a una distancia tan grande para que no haya nada entre ellos? Descartes no pudo aceptar este concepto, y en su lugar formuló otro, en el que había un entorno a través del cual se propagaba la gravedad. Afirmó que el cosmos está lleno de algún tipo de materia, y cuando la masa se mueve a través de él, desplaza la materia y crea vórtices; esta fue una versión temprana del éter. Esta teoría fue la primera de una larga línea de lo que luego se llamarían teorías mecánicas (o cinéticas) de la gravedad .


En la versión de la gravedad de Descartes, el espacio estaba lleno de éter, y solo su desplazamiento podía explicar la gravedad. Esta idea no condujo a la formulación de la gravedad, que coincidió con las observaciones.

Por supuesto, el concepto de Descartes resultó ser incorrecto. La utilidad de la teoría física determina la coincidencia con el experimento, y no nuestra predisposición a ciertos criterios estéticos. Cuando apareció GTR, cambió fundamentalmente la imagen dibujada por las leyes de Newton. Por ejemplo:

• El espacio y el tiempo no eran absolutos e iguales en todas partes, sino que estaban conectados y se comportaban de manera diferente para los observadores que se movían a diferentes velocidades en diferentes lugares.
• La gravedad no actúa instantáneamente, sino que se mueve a una velocidad limitada, a la velocidad de la luz.
• La gravedad está determinada no directamente por la masa y la posición, sino por la curvatura del espacio, que, a su vez, está determinada por toda la masa y la energía en el universo.

La acción a distancia no ha desaparecido, pero la "fuerza que actúa a una distancia infinita a través del espacio inmóvil" de Newton fue reemplazada por la curvatura del espacio-tiempo.


La curvatura del espacio-tiempo significa que los relojes ubicados más profundamente en el pozo gravitacional, y, por lo tanto, en el espacio más fuertemente curvado, operan a una velocidad diferente de los relojes ubicados en un espacio menos profundo y menos curvado.

Si el Sol desapareciera repentinamente del Universo, por algún tiempo no lo sabríamos. La tierra no habría volado en línea recta; continuaría girando alrededor de la ubicación del Sol durante otros 8 minutos y 20 segundos. La gravedad está determinada no por la masa, sino por 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 un estado curvo a uno plano, pero esta transformación no ocurre instantáneamente. El espacio-tiempo es un tejido, y la transición debería tener lugar en forma de algún tipo de movimiento brusco que envíe ondas muy grandes, gravitacionales, a través del Universo, que se propagan a través de él como ondas en la superficie de un estanque.


Cada onda que se propaga en un medio o en el vacío tiene una velocidad de propagación. No existe una velocidad infinita y, en teoría, la velocidad de propagación de las ondas gravitacionales debe coincidir con la velocidad máxima permitida en el Universo: la velocidad de la luz.

La velocidad de propagación de las ondas se determina de la misma manera que se determina la velocidad de todo en la teoría de la relatividad: su energía y masa. Como las ondas gravitacionales no tienen masa, pero tienen energía finita, deben moverse a la velocidad de la luz. Y esto significa que la Tierra no está realmente vinculada directamente a la ubicación del Sol en el espacio, sino que está vinculada al lugar donde estaba el Sol hace poco más de 8 minutos.


La radiación gravitacional aparece cada vez que una masa se mueve en una órbita alrededor de otra, por lo tanto, las órbitas disminuyen durante un tiempo bastante largo. En algún momento en el futuro, la Tierra caerá en espiral en lo que queda del Sol, si antes de eso ningún cuerpo lo ha sacado de su órbita. La Tierra está unida al lugar donde estaba el Sol hace aproximadamente 8 minutos, y no a donde está en este momento.

Esto es extraño y potencialmente un problema, ya que hemos estudiado bastante bien el sistema solar. Si la Tierra estuviera atada a la ubicación del Sol, que ocupó ≈ hace 8 minutos según las leyes de Newton, entonces las órbitas de los planetas no coincidirían con las observaciones. Sin embargo, GRT difiere en otro aspecto. Para los cálculos, es necesario tener en cuenta la velocidad del planeta que se mueve en órbita alrededor del Sol.

Por ejemplo, la Tierra, ya que también se mueve, en cierto sentido "cabalga" sobre estas ondas que viajan a través del espacio, cayendo no donde había sido elevada anteriormente. Hay dos fenómenos nuevos en GR que lo distinguen fuertemente del newtoniano: la percepción de la gravedad del objeto se ve afectada por la velocidad de cada objeto, así como por los cambios en el campo gravitacional.


El tejido del espacio-tiempo, con ondas y deformaciones que se producen debido a la presencia de masas. La estructura del espacio, por supuesto, es curva, pero cuando la masa se mueve a través de un campo gravitacional cambiante, suceden muchas cosas interesantes.

Si desea calcular la curvatura del espacio-tiempo en cualquier punto del espacio, GR le permite hacer esto, pero primero necesita saber algo. Necesitas conocer la ubicación, magnitud y distribución de todas las masas del universo, exactamente como Newton exigía. Además, necesita información sobre lo siguiente:

• cómo se mueven y se mueven estas masas
• cómo se distribuyen todas las demás formas de energía que no pertenecen a la masa,
• cómo se mueve el objeto desde el que estás observando en un campo gravitacional cambiante,
• y cómo la curvatura del espacio cambia con el tiempo.

Y solo junto con este conocimiento adicional podemos calcular la curvatura del espacio en un cierto punto en el espacio y el tiempo.


La evolución del espacio-tiempo y el trabajo de la gravedad están determinados no solo por la posición y la magnitud de las masas, sino también por cómo se mueven entre sí y se aceleran en un campo gravitacional cambiante.

Esta curvatura y enderezamiento tienen sus costos. La Tierra acelerada no puede simplemente moverse en el cambiante campo gravitacional del Sol sin consecuencias. Existen, aunque pequeñas, y se pueden medir. A diferencia de la teoría de Newton, según la cual la Tierra debería describir una elipse cerrada que se mueve alrededor del Sol, GR predice que esta elipse debería sufrir una precesión con el tiempo, y la órbita disminuirá lentamente. El intervalo de tiempo durante el cual esto sucederá puede exceder la edad actual del Universo, pero, sin embargo, la órbita no se mantendrá estable durante un tiempo arbitrario.

Incluso antes de medir las ondas gravitacionales, este fue el método principal para medir la velocidad de la gravedad. No en el ejemplo de la Tierra, sino en el ejemplo de un sistema con parámetros extremos, en el que se puede notar fácilmente el cambio en la órbita: un sistema de dos objetos en una órbita cercana, al menos uno de los cuales es una estrella de neutrones.


La forma más fácil de ver este efecto es si un objeto masivo se mueve con una velocidad que cambia rápidamente en un campo gravitacional fuerte y cambiante. ¡Y tales condiciones nos dan sistemas estelares binarios de estrellas de neutrones! Una o dos de estas estrellas giratorias emiten impulsos visibles en la Tierra cada vez que el eje de la estrella pasa a través de la línea de visión. Las predicciones de la teoría de la gravedad de Einstein son extremadamente sensibles a la velocidad de la luz, tanto que incluso después de observar el primer púlsar, el sistema binario PSR 1913 + 16 , descubierto en la década de 1980 ( el sistema binario Hals-Taylor ), impusimos restricciones a la velocidad de la gravedad, que ¡coincidió con la velocidad de la luz dentro del error de medición de solo 0.2%!


La tasa de disminución en la órbita de un púlsar doble depende en gran medida de la velocidad de la gravedad y los parámetros orbitales del sistema binario. Utilizamos datos de púlsar binarios para limitar la velocidad de la gravedad y equipararla a la velocidad de la luz con una precisión del 99.8%.

Solo con el ejemplo de estos púlsares dobles aprendimos que la velocidad de la gravedad está en el rango de 2.993 × 10 ⁸ - 3.003 × 10 ⁸ m / s. Esto confirma el GTR y excluye la gravedad newtoniana y otras alternativas. Pero un mecanismo que explica por qué el espacio no se dobla cuando la masa que estaba en algún lugar lo abandona; GR no es una explicación para esto. Una masa que se mueve con aceleración a través de un campo gravitacional cambiante irradiará energía, y esta energía serán ondas, conocidas como ondas gravitacionales, que atraviesan la materia del espacio-tiempo. Un retorno a un estado de equilibrio, sin distorsión, ocurre naturalmente. No requiere más explicaciones, GR lo es todo. [ Cuando se le preguntó a Newton sobre la naturaleza de la gravedad, respondió: No formulo una hipótesis / aprox. perev. ]