La gravedad como campo

La gravedad como campo

 

El hecho de que la fuerza de la gravedad también dependa de 1/r² como lo hace la fuerza de la electricidad, incita a pensar en el concepto de campo para describir la gravedad. Pero al contrario de lo que ocurre con la electricidad, la fuerza de gravedad es tan débil que sólo las grandes masas son capaces de ejercer unas fuerzas apreciables.

 

La gravedad puede eliminarse localmente mediante una aceleración. Por ejemplo, todos hemos visto los simuladores en los que trabajan los astronautas para recrear las condiciones de ingravidez. De aquí podemos deducir que las fuerzas de gravedad experimentadas se deben más al estado de movimiento del propio observador que a la gravedad en sí. Por ello, sólo las fuerzas diferenciales de la gravedad, denominadas fuerzas de marea, pueden considerarse reales. Es decir, cualquier concepto de campo gravitatorio debería basarse en los efectos de marea, no en la fuerza directa, siendo las ondas del campo gravitatorio ondas de marea. De esta forma, la gravedad objetiva, la que depende del observador, puede decirse que es un efecto secundario de marea.

 

Cuando un campo eléctrico actúa sobre una carga de prueba, la fuerza resultante puede representarse mediante un único vector, que puede descomponerse en tres dimensiones, en tres componentes perpendiculares. Sin embargo, el efecto de la gravedad de marea es más complicado, ya que en este caso tenemos 9 componentes vectoriales, a las que denominamos tensor, para describir un cizallamiento, una dilatación y una rotación. En resumen, el campo eléctrico es un campo vectorial y el gravitatorio es un campo tensorial.

 

El campo gravitatorio siempre estará dirigido hacia la masa que lo produce, luego podemos representarlo mediante líneas de fuerza. Una línea de fuerza se traza de tal forma que cada punto sea tangente a la dirección el campo siendo su densidad proporcional a la intensidad de éste.

 

Para llegar a una mejor comprensión de la fuerzas de marea, ya que este punto es fundamental para comprender este artículo, voy a introducir una explicación basándome en 3 ejemplos. De hecho, Einstein ya advirtió que la gravedad de marea es una manifestación de la curvatura del espacio-tiempo.

 

 

 

Ejemplo1.- Caída libre de dos partículas.

 

 

 

 

Imaginemos que soltamos dos partículas en caída libre y trayectorias paralelas. Mientras las vemos caer a la Tierra, a nuestros ojos parece que conservan estas trayectorias paralelas. Pero un análisis detallado y minucioso de la acción nos dice que esto no se cumple. Imaginemos que estas partículas tienen la capacidad de penetrar en la Tierra sin ser frenadas en absoluto. Las partículas se sienten atraídas por el centro de gravedad de la Tierra, es decir, por un único punto, lo que produce que se vayan acercando y colisionen en el centro de la Tierra. Para Einstein este corte de líneas inicialmente paralelas es una señal de la curvatura del espacio-tiempo.

Ejemplo 2.- Dos aviones que parten del Ecuador.

 

 

 

 

Otra forma de ver el ejemplo anterior consistiría en visualizar la trayectoria de dos aviones que parten desde el ecuador, en trayectorias paralelas hacia el polo Norte. Evidentemente, la geometría de la Tierra no es plana, por lo que las trayectorias rectas que son paralelas en el Ecuador convergen y se cortan en el polo norte. De aquí podemos deducir que una distorsión de la geometría plana puede desplazar la posición relativa de partículas vecinas, como si estuvieran actuando fuerzas de marea. Los dos aviones que en un principio parten en líneas paralelas, si no modifican su trayectoria chocarán en el polo norte.

Ejemplo 3.- Astronauta en caída libre hacia la Tierra.

 

 

 

 

Podemos intuir por los conocimientos que tenemos que la atracción gravitatoria en el astronauta es ligeramente diferente en las diversas partes de su cuerpo. Sus pies están más cerca de la Tierra que su cabeza, por lo que los atrae con mayor fuerza, estirando al astronauta de pies a cabeza. La gravedad también actúa hacia el centro del planeta con lo que podríamos decir que ejerce su acción ligeramente a la izquierda de su lado derecho y ligeramente a la derecha del lado izquierdo de su cuerpo, es decir, comprime los lados de su cuerpo hacia el centro. Desde el punto de vista del astronauta, la fuerza de gravedad hacia abajo ha desaparecido debido a los efectos de la caída libre. Pero lo que sí siente son las tensiones entre la cabeza y los pies y la compresión lateral. Éstas son producidas por las diferencia de gravedad entre las diferentes partes de su cuerpo. La tensión vertical y la compresión lateral son las fuerzas de marea o fuerzas gravitatorias de marea. Este mismo fenómeno es el que produce las mareas oceánicas terrestres.

Esta imagen ha sido obtenida mediante los datos aportados por el satélite GOCE encargado de estudiar el campo gravitatorio terrestre y muestra la caída libre de una manzana hacia la Tierra y la deformación que sufre en el proceso debido a las fuerzas de marea.