Gravitación

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La gravitación es un producto natural fenómeno por el cual todos los objetos con masa se atraen entre sí, y es una de las las fuerzas fundamentales de la física. En la vida cotidiana, la gravitación se piensa más comúnmente considerado como la agencia que da objetos de peso. Es responsable de mantener la Tierra y los otros planetas en su órbitas alrededor del Sol; para mantener la Luna en su órbita alrededor de la Tierra, para la formación de las mareas ; para convección (por el cual los fluidos calientes suben); para la calefacción de los interiores de la formación de estrellas y planetas a temperaturas muy altas; y para varios otros fenómenos que observamos. La gravitación es también la razón de la existencia misma de la Tierra , el Sol , y la mayoría de los objetos macroscópicos en el universo ; sin él, la materia no se habría fusionado en estas grandes masas y la vida , tal como la conocemos, no existiría.

Moderno física describe la gravitación con el la teoría general de la relatividad , pero la más simple La ley de la gravitación universal de Newton ofrece una excelente aproximación en la mayoría de los casos.

El términos gravitación y la gravedad son en su mayoría intercambiables en el uso diario, pero en el uso científico pueden hacer una distinción. "Gravitación" es un término general que describe la influencia atractiva que todos los objetos con masa ejercen entre sí, mientras que "la gravedad" se refiere específicamente a una fuerza que se supone en algunas teorías (como Newton) para ser la causa de esta atracción. Por el contrario, en la relatividad general gravitación es debido a las curvaturas del espacio-tiempo que causan en movimiento por inercia objetos para acelerar el uno hacia el otro.

Gravitación mantiene a los planetas en órbita alrededor del Sol (No está a escala)

Historia de la teoría gravitatoria

Historia temprana

Los esfuerzos por comprender la gravedad comenzó en la antigüedad. Los filósofos en la antigua India explicó el fenómeno desde el siglo octavo antes de Cristo. De acuerdo a Canadá, fundador de la Escuela Vaisheshika, " Peso provoca la caída, sino que es imperceptible y conocido por inferencia ".

En el siglo cuarto antes de Cristo, el Filósofo griego Aristóteles creía que no había efecto sin causar, y por lo tanto ninguna de movimiento sin fuerza . Se planteó la hipótesis de que todo lo que trató de avanzar hacia su propio lugar en el esferas cristalinas de los cielos, y que los cuerpos físicos cayeron hacia el centro de la Tierra en proporción a su de peso.

Brahmagupta, en el Brahmasphuta Siddhanta (AD 628), respondió a los críticos de la heliocéntrica del sistema de Aryabhata (476-550 dC) afirmando que "todas las cosas pesadas se sienten atraídos hacia el centro de la tierra" y que "todas las cosas pesadas caen a la tierra por una ley de la naturaleza, porque es la naturaleza de la tierra para atraer y para mantener las cosas, ya que es la naturaleza del agua a fluir, la del fuego para quemar, y el de viento para poner en movimiento ... La tierra es la única cosa baja, y las semillas siempre vuelven a la misma, en cualquier dirección que puede tirar a la basura, y nunca elevarse hacia arriba de la tierra. "

En el siglo noveno, el mayor Banū hermano Musa, Muhammad ibn Musa, en su Astral de movimiento y la fuerza de atracción, la hipótesis de que había una fuerza de atracción entre los cuerpos celestes, presagiando La ley de Newton de la gravitación universal. En el 1000, el Persa científico Ibn al-Haytham (Alhazen), en el Mizan al-Hikma, discutió la teoría de la atracción entre masas , y parece que era consciente de la magnitud de la aceleración debida a la gravedad. En 1121, Al-Khazini, en El libro de la Balanza de Sabiduría, diferenciadas entre fuerza , masa , y peso, y descubrió que la gravedad varía con la distancia desde el centro de la Tierra, aunque él cree que el peso de los cuerpos pesados aumentar, ya que son más lejos del centro de la Tierra. Todos estos primeros intentos de tratar de explicar la fuerza de gravedad eran de naturaleza filosófica y sería Isaac Newton que le dio la primera descripción correcta de la gravedad .

Revolución científica

Obra moderna en la teoría gravitacional comenzó con el trabajo de Galileo Galilei en el siglo 16 y principios del siglo 17. En su famoso (aunque probablemente apócrifa) experimento dejando caer las bolas de la Torre de Pisa , y más tarde con medidas cuidadosas de bolas rodando hacia abajo inclina, Galileo demostró que la gravitación acelera todos los objetos a la misma velocidad. Este fue un cambio importante de la creencia de Aristóteles de que los objetos más pesados se aceleran más rápido. (Galileo postuló correctamente la resistencia del aire como la razón de que los objetos más ligeros pueden caer más lentamente en una atmósfera.) El trabajo de Galileo sentó las bases para la formulación de la teoría de la gravedad de Newton.

La teoría de la gravitación de Newton

En 1687, el matemático Inglés Sir Isaac Newton publicó Principia , que la hipótesis de la la ley del cuadrado inverso de la gravitación universal. En sus propias palabras, "deduje que las fuerzas que mantienen a los planetas en sus órbitas deben ser recíprocamente como los cuadrados de sus distancias a los centros sobre los que giran; y por lo tanto la fuerza en comparación necesaria para mantener la luna en su orbe con la fuerza de la gravedad en la superficie de la Tierra; y encontraron a responder bastante cerca ".

La teoría de Newton obtuvo su mayor éxito cuando fue utilizado para predecir la existencia de Neptuno basado en movimientos de Urano que no podían ser explicados por las acciones de los otros planetas. Cálculos John Couch Adams y Urbain Le Verrier tanto predijo la posición general del planeta, y los cálculos de Le Verrier se lo llevó Johann Gottfried Galle al descubrimiento de Neptuno.

Irónicamente, fue otra discrepancia en la órbita de un planeta que ayudó a señalar los defectos en la teoría de Newton. A finales del siglo 19, se sabía que la órbita de Mercurio no podía explicarse por completo bajo la teoría de Newton, pero todas las búsquedas de otro cuerpo perturbador (como un planeta en órbita alrededor del Sol más cerca que Mercurio) había sido infructuosa. El problema se resolvió en 1915 por Albert Einstein nuevo 's Teoría General de la Relatividad , que representó la discrepancia en la órbita de Mercurio.

Aunque la teoría de Newton ha sido superada, la mayoría de los cálculos gravitacionales no relativistas modernos todavía se hacen usando la teoría de Newton, ya que es una teoría mucho más simple de trabajar que la Relatividad General , y da resultados suficientemente precisos para la mayoría de aplicaciones.

La relatividad general

En la relatividad general , los efectos de la gravitación se atribuyen a espacio tiempo curvatura en lugar de una fuerza. El punto de partida de la relatividad general es la principio de equivalencia, lo que equivale caída libre con movimiento inercial. El problema que esto crea es que los objetos en caída libre pueden acelerar con respecto a la otra. En la física newtoniana , tal aceleración puede ocurrir a menos que al menos uno de los objetos le van a operar por una fuerza (y por lo tanto no se está moviendo por inercia).

Para hacer frente a esta dificultad, Einstein propuso que el espacio-tiempo se curva por la materia, y que los objetos en caída libre se mueven a lo largo de caminos localmente rectas en el espacio-tiempo curvo. (Este tipo de trazado se denomina geodésica). Más específicamente, Einstein descubrió la ecuaciones de campo de la relatividad general, que se refieren la presencia de la materia y la curvatura del espacio-tiempo y llevan el nombre de él. La Ecuaciones de campo de Einstein son un conjunto de 10 simultánea, no lineal, ecuaciones diferenciales . Las soluciones de las ecuaciones de campo son los componentes de la tensor métrico del espacio-tiempo. Un tensor métrico describe una geometría del espacio-tiempo. Los caminos geodésicos de un espacio-tiempo se calculan a partir del tensor métrico.

Soluciones notables de las ecuaciones de campo de Einstein incluyen:

• La Solución de Schwarzschild, que describe el espacio-tiempo que rodea a un esféricamente simétrica no girando sin carga objeto masivo. Para suficientes objetos compactos, esta solución genera un agujero negro con un centro de singularidad. Para distancias radiales desde el centro, que son mucho mayores que el Radio de Schwarzschild, las aceleraciones predichos por la solución de Schwarzschild son prácticamente idénticos a los que predice la teoría de la gravedad de Newton.
• La Solución de Reissner-Nordström, en el que el objeto central tiene una carga eléctrica. Para los cargos con un longitud que son menores que la longitud geometrizado de la masa del objeto geometrizada, esta solución produce agujeros negros con dos horizontes de sucesos.
• La Solución de Kerr para hacer girar los objetos masivos. Esta solución también produce agujeros negros con múltiples horizontes de sucesos.
• La Solución de Kerr-Newman para carga, rotar objetos masivos. Esta solución también produce agujeros negros con múltiples horizontes de sucesos.
• El cosmológica Solución Robertson-Walker, que predice la expansión del universo .

La relatividad general ha gozado de mucho éxito debido a cómo sus predicciones de fenómenos que no son llamados por la teoría de la gravedad se han confirmado con regularidad. Por ejemplo:

• La relatividad general explica la anómala perihelio precesión del planeta Mercurio .
• La predicción de que el tiempo corre más lento a potenciales menores ha sido confirmada por el Pound-Rebka experimento, el Experimento Hafele-Keating, y la GPS.
• La predicción de la desviación de la luz se confirmó por primera Arthur Eddington en 1919, y más recientemente ha sido confirmado con claridad a través del uso de un quasar que pasa por detrás del Sol visto desde la Tierra . Ver también lente gravitacional.
• La tiempo de retardo de la luz que pasa cerca de un objeto masivo fue identificado por primera vez por Irwin Shapiro en 1964 en las señales de naves espaciales interplanetarias.
• La radiación gravitacional se ha confirmado indirectamente a través de estudios de binario púlsares.
• La expansión del universo (predicha por el Alexander Friedmann) se confirmó mediante Edwin Hubble en 1929.

Gravedad y la mecánica cuántica

Varias décadas después del descubrimiento de la relatividad general, se dio cuenta de que la relatividad general es incompatible con la mecánica cuántica . Es posible describir la gravedad en el marco de la teoría cuántica de campos como la otra fuerzas fundamentales, con la fuerza de atracción de la gravedad surge debido al intercambio de virtual gravitones, de la misma manera como la fuerza electromagnética surge de intercambio de virtuales fotones . Esto reproduce la relatividad general en el límite clásico. Sin embargo, este enfoque falla en distancias cortas del orden de la Longitud de Planck, donde una teoría más completa de Se requiere la gravedad cuántica (o un nuevo enfoque de la mecánica cuántica). Muchos creen que la teoría completa que sea la teoría de cuerdas , o más actualmente Teoría M .

Detalles específicos

Gravedad de la Tierra

Cada cuerpo planetario (incluyendo la Tierra) está rodeado de su propio campo gravitatorio, que ejerce una fuerza de atracción sobre todos los objetos. Suponiendo un planeta esféricamente simétrica (una aproximación razonable), la resistencia de este campo en cualquier punto dado es proporcional a la masa del cuerpo planetario e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde el centro del cuerpo.

La intensidad del campo gravitatorio es numéricamente igual a la aceleración de objetos bajo su influencia, y su valor en la superficie de la Tierra, g denotado, es de aproximadamente 9,8 m / s ² (32,2 ft / s²) como el promedio estándar. Esto significa que, haciendo caso omiso de la resistencia del aire, un objeto que cae libremente cerca de la superficie de la tierra aumenta su velocidad con 9,8 m / s (32,2 pies / s o 22 mph) para cada segundo de su descenso. Por lo tanto, un objeto partiendo del reposo alcanzará una velocidad de 9,8 m / s (32 pies / s) después de un segundo, 19,6 m / s (64 pies / s) después de dos segundos, y así sucesivamente, añadiendo 9,8 m / s para cada velocidad resultante. Según tercera ley de Newton, la propia Tierra experimenta una fuerza igual y opuesta a la que actúa sobre el objeto que cae, lo que significa que la Tierra también se acelera hacia el objeto. Sin embargo, debido a que la masa de la Tierra es enorme, la aceleración de la Tierra por esta misma fuerza es despreciable, cuando se mide en relación con el sistema de centro de masa .

Ecuaciones para un cuerpo que cae

Bola que cae libremente por gravedad. Véase el texto para la descripción.

Las ecuaciones cinéticos y dinámicos que describen las trayectorias de los cuerpos que caen son considerablemente más simple si la fuerza de la gravedad se supone constante. Este supuesto es razonable para los objetos que caen a la Tierra durante los relativamente cortas distancias verticales de nuestra experiencia cotidiana, pero no se sostiene a través de distancias más grandes, como trayectorias espaciales, ya que la aceleración debida a la gravedad de la Tierra es mucho más pequeño a grandes distancias.

Bajo el supuesto de gravedad constante, Ley de gravitación de Newton se simplifica a F = mg, donde m es la masa del cuerpo y g es un vector constante con una magnitud promedio de 9,81 m / s². La aceleración debida a la gravedad es igual a este g. Un objeto inicialmente estacionario que se deja caer libremente por gravedad cae una distancia que es proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido. La imagen de la derecha, que abarca la mitad de un segundo, fue capturada con un flash estroboscópico a 20 destellos por segundo. Durante el primer 1/20 de un segundo la pelota cae una unidad de distancia (en este caso, una unidad es de aproximadamente 12 mm); por 2 / 20ths ha bajado en total de 4 unidades; por 3 / 20ths, 9 unidades y así sucesivamente.

Bajo los mismos supuestos de gravedad constantes, la energía potencial, E _p, de un cuerpo a la altura h viene dada por E _p = mgh (o E _p = Wh, con W significa peso). Esta expresión es válida solamente sobre pequeñas distancias h desde la superficie de la Tierra. Del mismo modo, la expresión para la altura máxima alcanzada por un cuerpo proyección vertical con velocidad v es útil para las pequeñas alturas y pequeñas velocidades iniciales solamente. En caso de grandes velocidades iniciales que tenemos que utilizar el principio de conservación de la energía para encontrar la altura máxima alcanzada. Esta misma expresión puede ser resuelta para v para determinar la velocidad de un objeto caer desde una altura h inmediatamente antes de golpear el suelo, , Suponiendo que la resistencia del aire insignificante.

La gravedad y la astronomía

El descubrimiento y la aplicación de la ley de las cuentas de la gravedad de Newton por la detallada información que tenemos acerca de los planetas de nuestro sistema solar, la masa del Sol, la distancia a las estrellas, cuásares y hasta la teoría de la materia oscura . Aunque no hemos viajado a todos los planetas ni al Sol, sabemos sus masas. Estas masas se obtienen mediante la aplicación de las leyes de la gravedad de las características medidas de la órbita. En el espacio de un objeto mantiene su orbitar debido a la fuerza de gravedad que actúa sobre él. Los planetas orbitan alrededor de estrellas, las estrellas orbitan centros galácticos, galaxias orbitan un centro de masa en grupos y cúmulos en órbita supercúmulos. La fuerza de la gravedad es proporcional a la masa de un objeto e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los objetos.

La radiación gravitatoria

En la relatividad general, la radiación gravitacional se genera en situaciones en que la curvatura de espacio-tiempo es oscilante, como es el caso de objetos co-orbital. La radiación gravitatoria emitida por el sistema solar es demasiado pequeño para medir. Sin embargo, la radiación gravitacional se ha observado indirectamente como una pérdida de energía a través del tiempo en los sistemas de pulsares binarios como PSR 1913 + 16. Se cree que fusiones estrella de neutrones y agujero negro formación pueden crear cantidades detectables de radiación gravitatoria. Observatorios radiación gravitatoria como LIGO se han creado para estudiar el problema. No hay detecciones confirmadas se han hecho de esta radiación hipotética, pero a medida que la ciencia detrás de LIGO es refinado y como los propios instrumentos están dotados de una mayor sensibilidad en la próxima década, esto puede cambiar.

Las teorías alternativas

Teorías alternativas históricas

• Teoría aristotélica de la gravedad
• La teoría de Le Sage de la gravitación (1784) también llamada gravedad LeSage, propuesto por Georges-Louis Le Sage, sobre la base de una explicación basada en el fluido donde un gas ligero llena todo el universo.
• La teoría de la gravitación Nordström (1912, 1913), un competidor temprano de la relatividad general.
• La teoría de la gravitación de Whitehead (1922), otro competidor principios de la relatividad general.

Teorías alternativas recientes

• Teoría de Brans-Dicke de gravedad (1961)
• Gravedad inducida (1967), una propuesta de Andrei Sajarov, según la cual la relatividad general podría surgir de las teorías cuánticas de campos de la materia.
• Rosen teoría bi-métrica de la gravedad
• En el dinámica newtoniana modificada (MOND) (1981), Mordehai Milgrom propone una modificación de la segunda ley de Newton del movimiento para las pequeñas aceleraciones.
• La nueva y muy controvertida Teoría Física de Procesos intenta abordar la gravedad
• La autocreación teoría cosmología de la gravedad (1982) por GA Peluquería en el que el La teoría de Brans-Dicke se modifica para permitir la creación de masas.
• Teoría nonsymmetric gravitacional (NGT) (1994) de John Moffat
• Tensor-vector-escalar gravedad (TeVeS) (2004), una modificación relativista de MOND por Jacob Bekenstein