Interacción Gravitatoria

Durante millones de años la gravedad fue dando forma a nuestro universo. Los planetas, las estrellas, las galaxias y todo cuanto hay en el cosmos no existiría si la gravedad no hubiese intervenido en su formación. La interacción gravitatoria mantiene unido el universo, crea y deshace los gigantescos cuerpos celestes, y también dirige su paseo cósmico. Sin la interacción gravitatoria, la vida tal y como la conocemos no habría aparecido en ningún lugar del universo.

Imagen N°1. Influencia de la gravedad en la evolución estelar.

De acuerdo con Sears, et al. (2009), la gravitación fue la primera de las cuatro clases de interacciones que vemos en la naturaleza en ser ampliamente estudiada por el hombre. Su estudio surge a partir de las grandes interrogantes que se formulaba la gente común sobre el firmamento. ¿Qué sostiene la Tierra? ¿Por qué no se cae la Luna? ¿Por qué se mueven los planetas y las estrellas? Las respuestas a tales preguntas conducen inevitablemente al estudio de la interacción gravitatoria.

   Isaac Newton, partiendo de los descubrimientos de sus predecesores, fue el primero en proponer en su obra Philosophiae Naturalis Principia Mathematica una teoría general de la gravitación sobre una base experimental y matemática. Para el físico y matemático inglés, la gravedad es una fuerza atractiva que obliga a los planetas a describir órbitas alrededor del sol, el alcance de la fuerza es infinito pero su magnitud decae con la distancia entre los cuerpos. En la teoría newtoniana de la gravitación, la fuerza se calcula respecto del centro de gravedad de dos cuerpos y es directamente proporcional al producto de las masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.

Imagen N° 2. Ley de gravitación universal de Newton

 Posteriormente el físico alemán Albert Einstein anuncia que la teoría newtoniana está incompleta y por ende es incapaz de describir con exactitud los efectos de la gravedad en el universo. En su teoría de la relatividad general explica que la gravedad es una consecuencia de la geometría del espacio-tiempo, de este modo el Sol deforma el espacio-tiempo de su entorno, de manera que el propio espacio empuja a los planetas hacia la estrella. El espacio-tiempo es dinámico y es deformado por la masa de los cuerpos. El empuje gravitatorio es simplemente una ilusión creada por la deformación de la geometría del espacio-tiempo por efecto de un cuerpo masivo, es decir que “en la teoría general de la relatividad, las propiedades geométricas del espacio se ven afectadas por la presencia de materia” (Sears, et al., 2009, p. 1296). Esta teoría ha pasado con éxito varias pruebas experimentales allí donde las predicciones de la mecánica newtoniana fracasan (Tipler y Mosca, 2015).

Imagen N° 3. Deformación de la geometría del espacio-tiempo.

Sin embargo aunque la teoría de la relatividad general explica satisfactoriamente cómo funciona la gravedad a gran escala, presenta un gran problema. Según acortamos las distancias, la fuerza gravitatoria crece y, dado que actúa sobre sí misma, aumenta hasta hacerse infinita, por lo cual la teoría de Einstein es incapaz de describir el espacio-tiempo. De acuerdo con Moreno (2013):

“Hay situaciones en las que la Relatividad propone la existencia de una singularidad, un punto de curvatura y densidad infinita en el que la teoría pierde cualquier capacidad de predecir. La física simplemente se detiene ahí” (párr. 2).

     En la actualidad los físicos consideran que la teoría de Einstein de la gravitación es una teoría incompleta, ya que resulta lógico que a distancias pequeñas la relatividad general tiene que ser reemplazada por otra teoría alternativa que describa tanto el mundo macroscópico como ese diminuto universo de manera satisfactoria. La teoría se vuelve inútil al no poder realizar predicciones.

     La mecánica cuántica es una teoría tan altamente exitosa como la relatividad general y han sido numerosos los esfuerzos de los científicos en conseguir una teoría cuántica de la gravedad. Hasta la fecha mediante la teoría cuántica de campos se ha logrado describir tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. La gravedad por el momento no está al alcance de la teoría. Al aplicarle el mismo tratamiento matemático que a las demás interacciones fundamentales no se obtienen resultados finitos, pero otros modelos que se derivan de la mecánica cuántica se postulan como posibles candidatas a una teoría cuántica de la gravedad, por citar tan solo dos ejemplos se tienen la Teoría Cuántica de Lazos (Loop Quantum Gravity o LQG) y la Gravedad Cuántica de Einstein (Quantum Einstein gravity) de Martin Reuter (Moreno, 2013).

    El problema con las teorías candidatas a convertirse en la futura teoría cuántica de la gravedad capaz de hacer desaparecer singularidades y objetos similares, es que las energías y condiciones en las cuales se considera que la gravedad cuántica es importante son actualmente inaccesibles a los experimentos de laboratorio. Como consecuencia no se disponen de resultados y observaciones experimentales que brinden alguna indicación de cual predicción es la correcta.

   Según Moreno (2013), las teorías cuánticas señalan que el campo gravitatorio debe manifestarse en "cuantos" o partículas bosónicas transmisoras de la interacción gravitatoria. A esta partícula hipotética o bosón gauge se le denomina gravitón. Los experimentos realizados hasta la fecha aún no han encontrado evidencia de la existencia del gravitón dado que estas partículas portarían muy poca energía, pero se estima que debe ser un bosón de espín 2, sin carga eléctrica y con una masa nula o prácticamente insignificante. La interacción de las partículas materiales con los bosones gauge que producen los campos de fuerza se interpreta en términos de emisión o absorción de estos cuantos, sin embargo a diferencia de las otras partículas mediadoras los gravitones también podrían interactuar entre ellos. En el siguiente vídeo se brindan más propiedades del gravitón:

         El estudio de la interacción gravitatoria resulta de gran importancia para la humanidad al ser esta una fuerza vinculada a todas las actividades que ocurren en el universo. Es una fuerza sorprendente que gobierna el universo trabajando a grandes y pequeñas escalas; nada escapa a su influencia. Por tal motivo un mayor entendimiento de este “pegamento cósmico” conducirá a nuevos y fascinantes descubrimientos e inventos que beneficiarán a toda la humanidad.