Interacciones fundamentales I: Gravedad

Esta es probablemente la más intuitiva de las interacciones ya que conocimos sus efectos desde pequeños al tratar de dar nuestros primeros pasos. La gravedad es la interacción que nos mantiene (literalmente) con los pies en la tierra, sin embargo es también responsable de fenómenos como manzanas que caen al suelo y las órbitas de los planetas en torno al sol. Fue descrita originalmente por Newton en 1687 como una fuerza atractiva entre los cuerpos debido a su masa. Uno de los mayores éxitos tempranos de la teoría de Newton fue su utilización para tratar de comprender irregularidades observadas en la órbita del planeta Urano. La explicación, de acuerdo a las leyes de Newton, sería la presencia de un octavo planeta. Dicho planeta fue finalmente encontrado en 1846 y hoy le llamamos Neptuno. A pesar de su éxito, la gravedad newtoniana muestra cómo esta interación puede ser descrita pero no nos habla acerca de su origen. Además no funciona con total precisión cuando es aplicada a planetas cercanos al Sol como Mercurio, el cual describe una órbita que no es completamente cerrada, fenómeno denominado corrimiento del perihelio de Mercurio.

En 1915 Einstein presentó su teoría relativista de la gravedad, más conocida como Teoría de la Relatividad General. Einstein comienza introduciendo la idea de que el tiempo es una dimensión al igual que el espacio, lo que en conjunto llamamos espaciotiempo. Además este espaciotiempo no es rígido, sino que es flexible como una sabana. Según Einstein, la gravedad no es una fuerza sino que la manifestación de una propiedad del espaciotiempo mismo llamada curvatura (como una sábana arrugada). La Luna no orbita en torno a la Tierra porque entre ambos cuerpos hay una fuerza invisible que los conecta, en el universo relativista de Einstein la presencia de cuerpos masivos como la Tierra curvan el espaciotiempo en el cual otros cuerpos (como la Luna) se mueven; esta curvatura es lo que llamamos gravedad. Einstein además muestra que no es sólo la masa sino que en general es la distribución de energía la que genera la curvatura. Diez años antes el mismo Einstein había demostrado que la masa y la energía pueden convertirse el uno en el otro y se relacionan a traves de su famosa fórmula E=mc².

Hasta la fecha esta teoría parece funcionar con una precisión extraordinaria, muchos experimentos se han realizado para testear sus predicciones, las que incluyen un corrimiento en el perihelio de los planetas (siendo mas notorio para Mercurio, lo que ya había sido observado), la deflexión de rayos de luz al pasar cerca de objetos masivos, e incluso la evolución del universo como un todo. La teoría de la relatividad general es considerada hasta nuestros días una de las descripciones más fundamentales del universo y uno de los más grandes logros del siglo XX. Cualquier estructura desde planetas hasta galaxias puede ser descrita con gran precisión por la relatividad general, pero qué tiene esto ¿qué ver con partículas elementales que son muy pequeñas y para las cuales la gravedad es despreciable? Justamente la gravedad con todo su alcance infinito y con la capacidad de formar grandes estructuras es la más débil de las cuatro interacciones fundamentales y no puede ser aplicada a las partículas. Aunque al ver objetos caer puede no parecernos una interacción muy débil lo es cuando la comparamos con las otras tres, como veremos en las siguientes partes de esta serie. Entonces ¿por qué la gravedad es discutida en este contexto? Dado que puede ser despreciada quisimos hablar de gravedad al principio ya que, si bien es una de las interacciones fundamentales, las que vienen serán de mayor relevancia para comprender el comportamiento de las partículas. Además, en las descripciones actuales de las partículas elementales la gravedad no juega ningún rol y podemos olvidarnos de ella, sin embargo en los momentos posteriores a la explosión que dió origen al universo (big bang), éste era muy pequeño y había mucha energía, por lo que una descripcion de los efectos de la gravedad a escalas subatómicas es necesaria para compreder y describir esos momentos del universo temprano. Esta es una de las grandes metas de la física actual: la gravedad cuántica.

A modo de conclusión podemos decir que la descripción más aceptada de la gravedad es la presentada por Einstein en 1915, en la cual el espaciotiempo se curva debido a la presencia de energía (como objetos masivos) y dicha curvatura es la gravedad.

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