¿Qué es la gravedad?

Vivimos inmersos en ella. La gravedad es aquel fenómeno que explica no solo que estemos anclados a la superficie de la Tierra, sino que los planetas orbiten alrededor de sus estrellas o que los agujeros negros deformen el tiempo hasta el extremo. La gravedad lo es todo.

Un fenómeno natural a través del cual los objetos con masa son atraídos entre sí, dando lugar a la conocida como atracción gravitatoria. Absolutamente todos los cuerpos generamos una interacción gravitatoria que, en conjunto, da cohesión al Universo. La gravedad es el pilar del Cosmos.

Pero, ¿sabemos exactamente qué es? Por mucho que su explicación parezca sencilla, cuando nos sumergimos en sus secretos nos damos cuenta, al instante, de que quedan todavía muchas incógnitas por responder acerca de la gravedad.

¿Es realmente una fuerza? ¿Qué papel juega el espacio-tiempo? ¿Es una deformación del tejido espacio temporal? ¿Por qué, de todas las interacciones, es la más débil? ¿Cuál es su origen cuántico? Prepárate para que te estalle la cabeza, porque hoy vamos a emprender un viaje a través de la historia y a comprender los misterios de la gravedad.

Te recomendamos leer: “¿Por qué giran los planetas?”

Newton, la manzana y la gravedad: la ley de la gravitación universal

Las manzanas ya caían de los árboles antes de que Newton naciera, pero nadie se había preguntado nunca por qué. Y sea o no una leyenda, la historia de cómo este físico, matemático, filósofo, teólogo, alquimista e inventor inglés descubrió (no la inventó, como dicen algunos) la gravedad es una fantástica metáfora del inicio de una de las metas más ambiciosas de la historia de la ciencia.

Enero de 1643. Isaac Newton nace en Woolsthorpe, condado de Lincolnshire, Inglaterra, en el seno de una familia campesina. Con dieciocho años, consigue ingresar en el prestigioso Trinity College de la Universidad de Cambridge para formarse en matemáticas y filosofía.

Tras graduarse, no tardó en convertirse en miembro de la Royal Society, empezando a investigar las trayectorias de los cuerpos celestes en el espacio. Y fue en ese momento que una duda empezó a obsesionarlo: ¿cuál era la fuerza que mantenía a los planetas en sus órbitas? Sus investigaciones y aproximaciones matemáticas despertaron la fascinación de algunos miembros de la sociedad científica y la crítica de otros.

Y fue entrado ya en los 40 años, a raíz o no de la historia con la manzana cayendo del árbol, que Newton introdujo el concepto de gravedad, la cual definió como una fuerza de atracción que generan todos los objetos con masa, e introdujo la ley de la gravitación universal, un principio físico que, a través de una famosa fórmula matemática, describe la interacción gravitatoria entre cuerpos.

Con Newton aprendimos que todos los cuerpos con masa generan gravedad. De hecho, tú mismo, pero el simple hecho de tener masa, generas un campo gravitatorio. Lo que sucede es que, con nuestros pocos kilogramos de peso, la gravedad que generamos es ínfima, especialmente comparada con el campo gravitatorio de la Tierra.

En este sentido, la gravedad, que simplemente es la atracción que existe entre dos cuerpos con masa, se hace notoria con objetos masivos. Como la Tierra, que con sus 6 cuatrillones de kg de masa genera suficiente gravedad no solo para mantenernos anclados a su superficie, sino para mantener a la Luna, pese a encontrarse a 384.400 km de distancia, en órbita constante.

Y a mayor masa, mayor atracción gravitatoria se genera. Por eso el Sol genera una gravedad mayor que la Tierra. La fuerza gravitatoria está determinada tanto por la masa de dos cuerpos (y de su densidad, de ahí que esta sea llevada al extremo en la singularidad de un agujero negro) como por la distancia entre ellos.

Muy bien. Sabíamos que la gravedad era un fenómeno de atracción intrínseco a los cuerpos con masa. Pero, ¿de dónde venía? ¿Qué es lo que hacía que los cuerpos generaran esta atracción gravitatoria? Newton no pudo dar respuesta a esto. Pero Albert Einstein, muchos años después, sí.

Te recomendamos leer: “Isaac Newton: biografía y resumen de sus aportes a la ciencia”

La Relatividad General de Einstein: la gravedad y el espacio-tiempo

Entre 1915 y 1916, el célebre físico alemán Albert Einstein publica la teoría a través de la cual podríamos comprender, como nunca lo habíamos hecho, la naturaleza del Universo y, en especial, de la gravedad. Einstein rompió con las leyes de la física clásica y ofreció al mundo unas nuevas reglas del juego: las de la Relatividad General.

Desde entonces, las leyes de la física relativista siguen siendo el pilar del mundo de esta ciencia. La Relatividad General es una teoría del campo gravitatorio que explica la naturaleza elemental de la gravedad a nivel macroscópico. Y en el siguiente apartado nos detendremos en esta puntualización de “macroscópico”.

Las leyes de Newton hacían pensar en la gravedad como una fuerza que se transmitía de forma instantánea. Einstein revolucionó por completo este marco teórico, pues su teoría relativista no solo nos dice que la gravedad no es una fuerza, sino que no se transmite de forma instantánea. La gravedad se propaga a una velocidad limitada, como no puede ser de otra manera, por la velocidad de la luz: 300.000 km/s.

Einstein afirmó que no vivimos, como creíamos, en un Universo de tres dimensiones, sino en uno de cuatro dimensiones en el que las tres dimensiones espaciales y la temporal (la Relatividad General afirma que el tiempo es algo relativo que puede dilatarse o contraerse) forman un único conjunto: el tejido del espacio-tiempo.

Y este tejido espacio temporal puede deformarse por los cuerpos con masa. Los cuerpos que nos encontramos en esta malla del espacio-tiempo deformamos el tejido, con una deformación que explica la existencia elemental de la gravedad. Es la curvatura del espacio-tiempo lo que hace que los cuerpos con masa atraigan gravitatoriamente a otros.

Esto explica que la gravedad no sea una fuerza, sino una consecuencia de la curvatura tanto en el espacio como en el tiempo. No hay nada que esté generando la atracción. Es el efecto macroscópico que tiene que cualquier forma de energía es capaz de cambiar la geometría del espacio-tiempo. Y esto es importantísimo. La gravedad no es una fuerza; es una consecuencia inevitable de la geometría y la curvatura del espacio-tiempo.

Y, además, esta concepción de la gravedad relativista explica también por qué, como consecuencia de la presencia de un campo gravitatorio, el espacio-tiempo se contraiga. Cuanta mayor es la gravedad a la que se está expuesto, más lento pasa el tiempo. Y esto es, de nuevo, por la curvatura. De ahí que cerca de un agujero negro, el tiempo, respecto a un observador, pasa increíblemente lento.

Con la Relatividad General, podemos comprender el origen elemental de la gravedad a nivel macroscópico, pero hasta el día de hoy, todos los intentos para hacer encajar la gravedad dentro del modelo de la mecánica cuántica han terminado en fracaso. ¿Qué está sucediendo? ¿Por qué no podemos encontrar el origen cuántico de la gravedad?

Te recomendamos leer: “¿Qué es la Relatividad General? Definición y principios”

La gravedad cuántica: Teoría de Cuerdas vs Loop Quantum Gravity

El Universo está regido por las conocidas como cuatro fuerzas o interacciones fundamentales. A saber: la gravedad (que ya hemos dicho que técnicamente no es una fuerza, sino una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo), el electromagnetismo (las interacciones de repulsión o atracción entre partículas cargadas eléctricamente), la fuerza nuclear débil (permite que las partículas subatómicas se desintegren en otras) y la fuerza nuclear fuerte (mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico).

Y decimos esto porque todas estas fuerzas (excepto una) pueden explicarse dentro del modelo de la física cuántica. La mecánica cuántica nos permite comprender el origen elemental de tres de las cuatro fuerzas. Es decir, podemos comprender la naturaleza cuántica de todas las fuerzas menos una: la gravedad.

Sabemos que el electromagnetismo está mediado, a nivel cuántico, por los fotones. La fuerza nuclear débil, por los bosones W y Z. Y la fuerza nuclear fuerte, por los gluones. Pero, ¿y la gravedad? ¿Por qué partícula subatómica está mediada? ¿Cuál es su origen cuántico? Bueno. No lo sabemos. Y por este mismo motivo la gravedad es la gran pesadilla de los físicos.

Llevamos décadas en busca de una teoría que consiga encajar la gravedad dentro del modelo cuántico. Y es que mientras que sabemos que, a nivel macroscópico, tiene su origen en la curvatura del espacio-tiempo, no entendemos cuál es su origen cuántico. Y es precisamente esta incapacidad de unir la gravedad relativista con la cuántica lo que hace que no hayamos dado con una teoría que unifique todas las fuerzas del Universo en una sola. Cuando lo consigamos, tendremos la Teoría del Todo.

No comprender el origen cuántico de la atracción gravitatoria es lo que nos impide lograr la unificación de la física relativista y la cuántica. Aunque hayamos entendido la naturaleza elemental de tres de las cuatro fuerzas, seguimos sin tener ni idea de dónde procede la gravedad de acuerdo a la mecánica cuántica. No somos capaces de verlo.

¿Por qué es, de lejos, la interacción más débil de todas? ¿Qué es lo que transmite la gravedad entre galaxias separadas por miles de años luz? ¿Qué es lo que genera la atracción a nivel cuántico? Se ha teorizado la existencia de una hipotética partícula subatómica conocida como gravitón, la cual no tendría ni masa ni carga eléctrica pero viajaría por el espacio a la velocidad de la luz y cuyo intercambio entre cuerpos materiales explicaría la gravedad. Pero es solo una hipótesis. Ni rastro de él.

Paralelamente, se han desarrollado dos teorías muy prometedoras para explicar el origen cuántico de la gravedad: la Teoría de Cuerdas (y la teoría que unifica sus cinco marcos teóricos, la conocida como Teoría M) y la Gravedad Cuántica de Bucles. Dos teorías enemigas que están compitiendo para convertirse en la Teoría del Todo, algo que sería uno de los sucesos más importantes de la historia de la ciencia.

La Teoría de Cuerdas explica el origen cuántico de las cuatro interacciones fundamentales partiendo de la suposición de que vivimos en un Universo de diez dimensiones (once, si entramos en la Teoría M) en el que la materia, en su nivel más bajo y a escala de Planck, está formado por unas cuerdas unidimensionales y vibrantes cuya vibración explica la naturaleza elemental de las cuatro fuerzas incluida la gravedad, pues esta se debería al viaje de anillos de cuerdas.

Por su parte, la Gravedad Cuántica de Bucles explica el origen cuántico de solo la gravedad (faltarían las otras tres interacciones) pero no requiere de la concepción de un Universo de diez dimensiones, sino que basta con las cuatro dimensiones que conocemos. Esta teoría afirma que, a nivel cuántico, el espacio-tiempo relativista no podría dividirse infinitamente, sino que llegaría un punto en el que estaría compuesta por una especie de malla en la que en una espuma cuántica habría unos lazos o bucles cuyo entrelazamiento explicaría el origen de la interacción gravitatoria.

Ambas teorías están muy lejos de estar completadas, pero son una muestra de hasta dónde somos capaces de llegar para comprender el origen de la gravedad. Una interacción fruto de la curvatura del espacio-tiempo que es el pilar del Universo y que, por sencilla que parezca, está resultando uno de los mayores retos de la historia de la ciencia.