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¡La gravedad NO es una fuerza! Nada tira de ti hacia abajo. Explicado — Transcript

by Cosmos Explicado · 2,782 words · 443 segments · language en · Watch on YouTube

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0:00Hola, voy a empezar con un hecho
0:02incómodo.
0:03Ahora mismo, mientras escuchas este
0:05episodio, no actúa sobre ti ninguna
0:08fuerza que tire hacia abajo. Cero.
0:11La única fuerza real que sientes es la
0:14presión de la silla o del suelo que te
0:16empuja hacia arriba. Y no es un juego de
0:18palabras ni un truco filosófico, es un
0:21resultado de medición corriente y
0:23repetible.
0:25Toma el teléfono que tienes al lado.
0:27Dentro lleva un acelerómetro, es decir,
0:30un instrumento que mide la aceleración.
0:32Apoyado en la mesa, marca más o menos
0:359,8 m/s al cuadrado.
0:38Ahora déjalo caer y en pleno vuelo,
0:41antes de que choque contra el suelo, el
0:43acelerómetro marca cero.
0:46Piénsalo un segundo. Un instrumento que
0:48mide la aceleración asegura que un
0:50objeto que cae no acelera y que un
0:53objeto quieto sobre la mesa acelera y
0:56bastante.
0:57Desde la física del colegio, esto es un
0:59absurdo puesto patas arriba. Y desde la
1:02relatividad general es exactamente como
1:05tiene que ser, porque en esa teoría la
1:08gravedad ni siquiera es una fuerza. La
1:11sacaron de la lista de fuerzas hace más
1:13de 100 años y nunca volvió a entrar. Al
1:16final de este episodio entenderás qué
1:18ocupa su lugar y por qué el papel
1:21principal aquí no lo tiene la curvatura
1:23del espacio, de la que ya has oído
1:25hablar, sino la curvatura del tiempo, de
1:28la que casi nadie habla.
1:31Empecemos por Newton, porque a él mismo
1:33su gravedad le daba bastante vergüenza.
1:36En 1687,
1:38Isaac Newton publica la ley de la
1:40gravitación universal. Una sola fórmula
1:44que describe a la vez la manzana que
1:46cae, la trayectoria de la luna y las
1:48órbitas de los planetas. Es el
1:50nacimiento de la física en el sentido
1:52moderno y nadie lo discute. Solo que esa
1:55fórmula dice cómo se atraen los cuerpos
1:58y no dice absolutamente nada sobre por
2:01qué. La masa tendría que actuar al
2:03instante, a cualquier distancia, a
2:06través del espacio vacío, sin ningún
2:08intermediario. Newton era más consciente
2:11de esto que sus seguidores. En una carta
2:14a Richard Bentley de 1693,
2:16escribió sin rodeos
2:19que la idea de un cuerpo que actúa sobre
2:21otro a través del vacío, sin nada que
2:23medie entre ellos, le parecía un absurdo
2:26tan grande que ningún hombre de pensar
2:29con competencia en asuntos filosóficos
2:31podría caer en él. Es su propia opinión
2:34sobre su propia teoría. Newton no
2:37afirmaba haber explicado la gravedad.
2:40Afirmaba haberla descrito y decía
2:43abiertamente que no había explicación.
2:46Durante 200 años nadie lo corrigió,
2:49porque la fórmula funcionaba de
2:50maravilla. Y entonces llegó 1907
2:54y el momento que Einstein llamaría más
2:56tarde la idea más feliz de su vida.
2:59Estaba en la oficina de patentes de
3:01Berna y se le ocurrió algo de lo más
3:04trivial. Una persona en caída libre no
3:07siente su propio peso. Detente aquí un
3:09momento, porque esta es la semilla de
3:12toda la teoría. Si bajas en un ascensor
3:15y se rompe el cable, durante la caída
3:18los objetos a tu alrededor flotan como
3:20si la gravedad no existiera. Es
3:22exactamente lo que ves en los vídeos de
3:24la estación espacial. Los astronautas no
3:27flotan porque estén fuera del alcance de
3:29la gravedad terrestre. A 400 km de
3:32altura, la atracción de la Tierra sigue
3:34siendo de alrededor del 90% de la que
3:37hay en la superficie. Flotan porque
3:40están cayendo. Caen junto con la
3:43estación todo el tiempo, solo que
3:45avanzan tan deprisa que nunca llegan a
3:48darle a la Tierra. Einstein sacó de esta
3:50observación una conclusión que suena
3:52inocente, pero que lo pone todo patas
3:55arriba. Si en un sistema que cae la
3:58gravedad desaparece y en un un que
4:00acelera en el espacio vacío aparece algo
4:03que no se puede distinguir de ella,
4:05entonces, la gravedad y la aceleración
4:08son localmente el mismo fenómeno. Esto
4:11se llama principio de equivalencia y de
4:14él se deduce algo fundamental. Si una
4:17interacción se puede eliminar solo con
4:20elegir el sistema de referencia,
4:22entonces no es una fuerza normal. La
4:25fuerza eléctrica no desaparece porque
4:27saltes a un precipicio. La gravedad, sí.
4:30Y si no es una fuerza, ¿qué es? La
4:33respuesta de Einstein, de 1915,
4:36es geometría. La masa y la energía curva
4:40en el espacio-tiempo y los cuerpos se
4:43mueven por las trayectorias más rectas
4:45posibles en esa geometría curva. Las
4:48llamamos geodésicas.
4:50Nada los empuja y nada tira de ellos.
4:53Van en línea recta, solo que en línea
4:56recta sobre un terreno curvo. Y aquí
4:59entra la analogía más famosa de toda la
5:01divulgación de la física, así que te la
5:04voy a enseñar. Roddy, luego la voy a
5:06desmontar, porque probablemente sea la
5:08metáfora más engañosa que tenemos.
5:12Una cama elástica bien tensa.
5:14Pones una bola de bolos en el centro y
5:16la lona se hunde.
5:18Ahora lanzas una canica por el borde.
5:21La canica empieza a dar vueltas
5:22alrededor del hoyo y poco a poco se le
5:25va acercando. Parece un planeta en
5:27órbita.
5:28Bonito. Y falso en tres puntos. Primero,
5:32y esto es lo más gracioso, la cama
5:35elástica explica la gravedad usando la
5:38gravedad.
5:39¿Por qué la bola de bolos hunde la lona?
5:41Porque algo tira de ella hacia abajo.
5:44Si pusieras esa cama elástica en
5:45ingravidez, Roddy, nada se hundiría y
5:49toda la demostración se vendría abajo.
5:51La analogía da por hecho justo lo que
5:53pretendía explicar. Segundo, la cama
5:56elástica es una superficie bidimensional
5:59que se curva hacia una tercera
6:01dimensión. Eso sugiere que el
6:04espacio-tiempo se curva hacia alguna
6:06dimensión exterior. No se curva hacia
6:09nada. La curvatura en la relatividad
6:12general se describe de forma intrínseca,
6:15sin estar sumergida en nada.
6:17Tercero, y lo más importante.
6:20En la cama elástica solo se curva el
6:22espacio, pero en el mundo real, a las
6:25velocidades con las que te mueves a
6:26diario, casi toda la gravedad que
6:29conoces la produce la curvatura del
6:31tiempo, no del espacio, del tiempo.
6:35Esta es la parte de la que casi nunca se
6:37habla, así que le voy a dedicar un
6:39momento, porque para mí es la más bonita
6:42de toda la teoría.
6:44Empecemos por un hecho que suena raro,
6:46pero que está medido. El tiempo pasa más
6:49despacio donde la gravedad es más
6:51fuerte.
6:52Un reloj en la planta baja va más lento
6:55que uno en el desván. No en apariencia,
6:58ni por fallos del instrumento, de
7:00verdad.
7:01Y ahora, la pregunta clave. ¿Qué tiene
7:04que ver esto con que caiga una manzana?
7:06Imagina que en el espacio-tiempo todo se
7:09mueve siempre a la misma velocidad
7:11constante, solo que repartida entre el
7:13movimiento por el espacio y el
7:15movimiento por el tiempo. Si estás
7:17quieto, gastas toda esa velocidad en
7:20moverte por el tiempo, es decir, en
7:22envejecer. Si caminas rápido, pasas un
7:26poquito de ese movimiento del tiempo al
7:28espacio y envejeces un pelín más
7:30despacio.
7:31Y ahora viene lo más importante. Un año
7:34de tiempo equivale, en unidades
7:36geométricas, a la distancia de un año
7:39luz. Un segundo equivale a 300.000 km.
7:44Eso significa que tú, sentado sin
7:46moverte, recorres en la dirección del
7:48tiempo distancias gigantescas.
7:51Así que incluso una curvatura
7:53ridículamente pequeña en la dirección
7:55temporal, del orden de una
7:57milmillonésima, porque esa es la
7:59diferencia en el ritmo del tiempo entre
8:01la superficie de la Tierra y el espacio,
8:03repartida a lo largo de una una
8:05tan enorme, produce un efecto que se
8:08nota claramente. Exactamente el de caer
8:11con una aceleración de 9,8 m por segundo
8:14al cuadrado.
8:16La manzana no cae porque la Tierra tire
8:18de ella. La manzana cae porque abajo el
8:21tiempo pasa un poquito más despacio y su
8:24camino más recto posible a través del
8:26espacio-tiempo se curva hacia el tiempo
8:29más lento.
8:30Es increíble que algo tan cotidiano como
8:33tu peso se reduzca, en el fondo, a que
8:36tus pies envejecen un poco más despacio
8:38que tu cabeza.
8:40Vale, pero todo esto sonaría a poesía si
8:43no se hubiera medido. Y se ha medido, y
8:46con una precisión que impresiona.
8:49Primero, el clásico. En 1919,
8:52unas expediciones dirigidas por Arthur
8:55Eddington midieron durante un eclipse de
8:57Sol la desviación de la luz de las
8:59estrellas. El resultado coincidía con
9:02Einstein y no con Newton. Y de la noche
9:05a la mañana convirtió a Einstein en una
9:07estrella mundial. Después llegó el
9:10reloj. En 1959,
9:13Robert Pound y Glenn Rebka, en la
9:15Universidad de Harvard, usaron una torre
9:18del laboratorio de 22 m y medio de
9:20altura para medir cómo cambia la
9:23frecuencia de los rayos gamma al subir y
9:25al bajar.
9:26Midieron un desplazamiento que coincidía
9:29con la predicción.
9:3022 m bastaron para detectar la curvatura
9:34del tiempo. Hoy se hace a distancias que
9:37convierten aquello en la Edad de Piedra.
9:39En 2010, un equipo del NIST
9:42estadounidense, con la participación de
9:44David Wineland, mostró en Science la
9:46diferencia en el ritmo del tiempo entre
9:49dos relojes ópticos cuya altura difería
9:52en 33 cm. En 2022, el grupo de Jun Ye en
9:57el Instituto JILA de Colorado publicó en
9:59Nature una medición del desplazamiento
10:02gravitacional dentro de una sola nube de
10:04átomos de estroncio a lo largo de
10:06aproximadamente 1 mm.
10:091 mm.
10:11Una diferencia en el ritmo del tiempo
10:13entre la parte de arriba y la de abajo
10:16de una nube de átomos más fina que la
10:18cabeza de un alfiler. Y dos cosas más
10:21que me gusta recordar porque demuestran
10:23que esto no es una física desconectada
10:25de la vida real. El GPS. Los relojes de
10:29los satélites de navegación que están
10:31más arriba en el campo gravitatorio se
10:33adelantan unos 45 microsegundos al día
10:36por el efecto gravitatorio y a la vez se
10:39atrasan unos 7 microsegundos por su
10:41velocidad. En neto ganan más o menos 38
10:45microsegundos al día. Si no se
10:47corrigiera, el error de posición
10:49crecería unos 10 km al día.
10:52La navegación de tu teléfono funciona
10:54porque alguien tuvo en cuenta la
10:56curvatura del tiempo. Gravity Probe,
10:59un satélite con cuatro giroscopios de
11:02cuarzo considerados unas de las esferas
11:04más perfectas jamás fabricadas.
11:07La misión publicó sus resultados en
11:092011. Midió el efecto geodésico previsto
11:12y el arrastre de marcos de referencia,
11:15mucho más sutil. Es decir, que la Tierra
11:18al girar arrastra consigo el
11:20espacio-tiempo.
11:21Ambos efectos, de acuerdo con la
11:23predicción. Pero la prueba más precisa
11:26del propio principio de equivalencia
11:28llegó de Francia. El satélite Microscope
11:31de la agencia CNES comparó, en caída
11:34libre, las aceleraciones de dos masas
11:36hechas de aleaciones de titanio y de
11:38platino.
11:39Los resultados finales se anunciaron el
11:4114 de septiembre de 2022 en Physical
11:44Review Letters. No se encontró ninguna
11:47violación. La diferencia relativa entre
11:50las aceleraciones es menor que una parte
11:53en 10 elevado a 15.
11:55Te lo digo de otra forma para que se
11:57sienta la escala.
11:58Dos objetos de materiales totalmente
12:00distintos caen igual con una precisión
12:04de una parte en 1000 billones.
12:07Lo mismo que la leyenda atribuye a
12:08Galileo en la torre inclinada de Pisa,
12:11de sea comprobado con esa precisión y
12:13todavía nadie ha encontrado ninguna
12:16desviación.
12:17Ahora, con honestidad, hablemos de lo
12:20que no sabemos, porque esa es la esencia
12:23de este canal. Primera cuestión.
12:26La relatividad general no es una teoría
12:28cuántica.
12:29Todas las demás interacciones las
12:31tenemos descritas en el lenguaje de la
12:33teoría cuántica de campos, donde
12:35interactuar consiste en intercambiar
12:38partículas. En ese lenguaje, la gravedad
12:41parecería una fuerza transmitida por una
12:43partícula llamada gravitón.
12:46Y de hecho, con campos débiles, esa
12:48descripción funciona y da los mismos
12:51resultados que la geometría.
12:53Entonces, ¿qué versión es la verdadera?
12:56¿La gravedad como geometría curva o la
12:58gravedad como intercambio de partículas?
13:01La respuesta honesta es, ambas
13:03descripciones funcionan allí donde se
13:06han comprobado y nadie sabe cuál es la
13:08fundamental. Es más, el intento ingenuo
13:11de tratar al gravitón igual que al fotón
13:14se desmorona a altas energías. La teoría
13:17deja de dar resultados finitos. Es
13:19exactamente el mismo muro roll del que
13:22hablé en los episodios sobre la longitud
13:24de Planck y sobre el interior de los
13:26agujeros negros.
13:28La segunda cuestión es más sutil y poco
13:30conocida y a mí, personalmente, es la
13:32que más me fascina.
13:34En la relatividad general, el campo
13:36gravitatorio no tiene una densidad de
13:39energía local.
13:40Suena raro, así que te lo explico.
13:43El campo electromagnético tiene en cada
13:45punto una densidad de energía concreta y
13:48puedes calcularla.
13:50Para la gravedad, una magnitud así no se
13:52puede definir y no porque todavía no
13:55hayamos dado con la fórmula, sino porque
13:57el principio de equivalencia lo prohíbe.
14:00Si en cada punto puedes elegir un
14:02sistema en caída libre en el que el
14:04campo desaparece localmente, entonces no
14:07puede tener localmente una energía
14:09distinta de cero. La energía
14:11gravitatoria solo se se definir con
14:14sentido para sistemas completos, de
14:16forma global, y además, con supuestos
14:18adicionales.
14:20Es una de las diferencias más profundas
14:22entre la gravedad y el resto de la
14:24física, y una de las razones tras por
14:27las que encaja tan mal con la mecánica
14:29cuántica, a la que le encantan las
14:31densidades locales.
14:33La tercera cuestión es si la geometría
14:36es siquiera fundamental.
14:38Hay una corriente que dice que no.
14:40Ted Jacobson demostró en 1995
14:44que las ecuaciones de Einstein se pueden
14:46deducir de los principios de la
14:47termodinámica aplicados a los
14:49horizontes, como si la ecuación de la
14:52gravedad fuera en realidad una ecuación
14:54de estado, de igual que la ley de los
14:56gases ideales sale de la estadística de
14:58las moléculas y no de una ley de la
15:01naturaleza aparte. En 2011, Erik
15:04Verlinde desarrolló una idea en la que
15:06la gravedad es un fenómeno entrópico que
15:09surge del recuento de estados, y no una
15:12propiedad básica del mundo.
15:14Y aquí tengo que dejar muy claro el
15:16grado de certeza. La deducción de
15:18Jacobson es elegante y se toma en serio,
15:21pero no zanja la cuestión.
15:23Las versiones concretas de la gravedad
15:25entrópica de Verlinde, incluidas las que
15:27debían sustituir a la materia oscura, se
15:30pusieron a prueba con datos de lentes
15:32gravitacionales y de curvas de rotación
15:34de galaxias, y los resultados son, como
15:37mínimo, ambiguos, y según muchos
15:39investigadores, desfavorables para el
15:42modelo. Es una hipótesis en debate, no
15:45una teoría aceptada.
15:47La cuarta cuestión ya es puramente
15:49filosófica, pero muy antigua.
15:51Si la gravedad es la geometría del
15:54espacio-tiempo, la pregunta es, ¿qué es
15:57el espacio-tiempo?
15:58¿Una cosa que existe y que puede
16:00curvarse, como una lámina de goma, o
16:03solo un lenguaje cómodo para describir
16:05las relaciones entre sucesos sin ningún
16:07soporte? Newton diría, existe, es un
16:11escenario absoluto. Leibniz diría, no
16:14existe nada más que las relaciones entre
16:17las cosas. La relatividad general da
16:20aquí una respuesta ambigua y hasta hoy
16:22es objeto de debate entre los filósofos
16:24de la física, de entre otras cosas en
16:26torno al llamado argumento del agujero.
16:29Por un lado, el espacio-tiempo tiene su
16:31propia dinámica, sus propias ondas y su
16:34propia energía a escala global, lo que
16:37sugiere que es algo. Por otro lado, en
16:39la teoría no hay ninguna forma de
16:42señalar un punto concreto del
16:43espacio-tiempo con independencia de lo
16:45que ocurre en él, lo que sugiere que es
16:48solo una red de relaciones. No hay
16:51consenso y es normal. Pero dejemos eso y
16:55volvamos a lo que en todo esto es
16:56seguro, está medido y en cierto sentido
16:59es lo más extraño, porque te afecta a ti
17:03ahora mismo. Toda la vida te han
17:05enseñado que algo tira de ti hacia
17:07abajo. Las mediciones dicen lo
17:09contrario. Cuando caes libremente, estás
17:13en tu estado natural. Nada actúa sobre
17:16ti. Te mueves por tu camino más recto
17:18posible. El acelerómetro marca cero. No
17:22es el momento en el que una fuerza actúa
17:24sobre ti, es el único momento en el que
17:27no actúa ninguna. Y cuando estás
17:29tranquilamente sentado en una silla,
17:32pasa justo lo contrario. Un cuerpo duro
17:35que se interpone en tu camino te saca de
17:37tu trayectoria natural. Es la silla la
17:40que ejerce una fuerza sobre ti. Es el
17:42suelo el que te acelera. Lo que llamas
17:45peso es el empuje de un obstáculo, no la
17:48atracción de la Tierra. La gravedad
17:50nunca ha tirado de ti. Toda tu vida solo
17:54has sentido lo que te frenaba. Y eso es,
17:57básicamente, todo. Gracias por quedarte
18:00hasta el final. Escríbeme en los
18:01comentarios si esta imagen del
18:03acelerómetro te convence tanto como me
18:06convenció a mí, porque reconozco que es
18:08una de las pocas cosas de la física que
18:11puedes comprobar con tu propio teléfono.
18:14Deja tu like y suscríbete al canal.
18:16Ahora sí, eso es todo. Hasta luego.

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