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Pregúntele a Ethan No. 11: ¿Por qué la gravedad disminuye con la distancia?

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Un objeto exótico, que consiste en una pequeña estrella pesada que gira a una velocidad de 25 veces por segundo, alrededor de la cual gira una enana blanca con un período de dos horas y media (en opinión del artista). Este es un púlsar PSR J0348 + 0432, que emite ondas gravitacionales. Y aunque no se pueden medir directamente desde la Tierra, es posible medir los cambios en la órbita asociados con la pérdida de energía por parte del sistema.

No reconocería el espacio-tiempo o una falla en el núcleo de la teletransportación, incluso si se metieran en mi cama.
- Patrick Stewart

El lector pregunta:
¿Por qué la gravedad disminuye con la distancia del objeto? Leí que disminuye según la ley de los cuadrados inversos, pero sin explicar por qué.

La pregunta es simple, pero se requiere una respuesta completa.

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La física y la ciencia en su conjunto no suelen abordar la cuestión del "por qué" en relación con los fenómenos naturales, generalmente solo se estudia el "cómo". Ofrezca una teoría, un conjunto de leyes y objetos físicos con propiedades dadas, y la ciencia le dirá cómo se comportarán dentro de la teoría. Así es con la gravedad.

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Durante siglos, la gravedad newtoniana ha sido la teoría más exitosa que describe las fuerzas que actúan a gran escala. Ella dijo que todos los objetos del Universo que tienen masa atraen a todos los demás objetos masivos. Y la fuerza de atracción es proporcional a la masa de ambos objetos e inversamente proporcional a la distancia entre ellos.



Esta ley es bastante fácil de calcular en computadoras modernas, y el ajuste de la teoría a las observaciones es excelente.

Pero, ¿puedes decir algo inteligente sobre por qué la gravedad funciona de esa manera? Considere nuestros vecinos espaciales más cercanos.

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Alrededor del Sol, la masa más grande de nuestro sistema, todos los demás objetos, desde planetas hasta asteroides y cometas, vuelan en círculos y elipses. Curiosamente, los círculos y las elipses son órbitas cerradas estables: estos objetos cada vez vuelven al mismo punto, después de un lapso de tiempo, que llamamos el año.

Esto en sí mismo desde el punto de vista de las matemáticas es bastante interesante. Las fuerzas son vectores; tienen magnitud y dirección. En el sistema solar, las fuerzas que actúan sobre los objetos se dirigen hacia el centro del sol. Si necesita algo para volar alrededor del sol en una órbita cerrada, solo tiene dos opciones.

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O necesita una fuerza que obedezca la ley de los cuadrados inversos (gravedad) o una fuerza que aumente linealmente con la distancia (resorte). Existe un teorema que demuestra que, además de estas dos posibilidades, no hay otras.

Por lo tanto, puede aumentar o disminuir con la distancia, pero solo de una manera, de lo contrario no tendremos órbitas cerradas estables.

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Y dado que son precisamente esas órbitas las que se necesitan para temperaturas estables y moderadas a las que puede existir vida, tenemos mucha suerte de que el Universo funcione de acuerdo con tales leyes.

Hay fuerzas que aumentan con la distancia, por ejemplo, una interacción fuerte. Incluso hay un ejemplo de una fuerza que no tiene dirección y que es constante: la energía oscura.

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Pero la ley de los cuadrados inversos no es todo lo que se puede decir sobre la gravedad. Además, dado que hay una órbita abierta en nuestro sistema, debemos reemplazar la gravedad newtoniana con una teoría general de la relatividad más reciente.



La órbita de Mercurio experimenta una precesión y no se bloquea. Esta fue la primera campana que informaba sobre la imperfección de la teoría newtoniana. Se dedicó medio siglo a resolver este problema y la aparición de GR. Y nos dimos cuenta de que la gravedad no sigue exactamente la ley de los cuadrados inversos: esta es solo una aproximación válida para grandes distancias y pequeñas masas y energías.

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Tenemos un montón de nuevas predicciones, confirmadas por experimentos, incluyendo lentes gravitacionales de luz, otras mecánicas de órbitas de cuerpos masivos a distancias cortas, desplazamiento al rojo gravitacional y mucho más.

Pero la conclusión principal fue que los cuerpos que se mueven en órbitas, estrictamente hablando, no obedecen la ley de los cuadrados inversos.

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Todas las órbitas, según la relatividad general, nacen de fuerzas que son ligeramente más fuertes que la ley de los cuadrados inversos, por lo que disminuyen con el tiempo. Los planetas internos son los primeros en abandonar sus órbitas, seguidos por mundos más distantes, ya que la distancia a ellos es mayor. Al final, en ausencia de otras fuerzas, todo vendrá en espiral al centro de gravedad del sistema.
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Si la Tierra girara alrededor del sol viviente sin fin, tomaría 10 150 años desvanecerse por completo de la órbita. Las órbitas realmente estables y cerradas en el Universo simplemente no existen.

Al menos según GTR, la mejor teoría que actualmente describe la gravedad. Para masas pequeñas y grandes distancias, degenera en la teoría clásica newtoniana.

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Pero, ¿por qué GTR controla la gravedad en el Universo exactamente de esta manera? Nadie puede decirlo con certeza.

Por lo tanto, debe contentarse con la respuesta estándar: la gravedad funciona así, porque las leyes de la naturaleza están muy ordenadas. Es posible imaginar el Universo con otras leyes, pero obtuvimos tal, y realmente no entendemos por qué las leyes están organizadas de esa manera. Podemos hacer observaciones, derivar leyes, verificarlas, y tal vez algún día entenderemos por qué son así.

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