Revista Digital Universitaria
ISSN: 1607 - 6079 Publicación mensual
 
1 de abril de 2012 Vol.13, No.4
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Las ondas gravitacionales
Miguel Alcubierre Moya
CITA
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La relatividad y las ondas gravitacionales
Detectores de ondas gravitacionales
Conclusión
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Gravedad y acción a distancia


Es posible argumentar que la ciencia moderna se inició a principios del siglo XVII, cuando Galileo Galilei comenzó a estudiar el movimiento de los cuerpos y, en particular, la caída de estos en la gravedad terrestre. Galileo hizo grandes contribuciones a la física y la astronomía, comenzando por la construcción de un telescopio propio sin nunca haber visto uno antes (al parecer sólo había oído hablar de su existencia), y por su idea enormemente original de apuntarlo hacia los cielos. Gracias a este instrumento Galileo descubrió los cráteres y montañas de la Luna, las lunas de Júpiter, las fases de Venus y las manchas solares, todo lo cual terminó por convencerlo de que el sistema heliocéntrico de Copérnico era correcto, lo que le ocasionó no pocos problemas con las autoridades eclesiásticas. Pero más allá de la astronomía, Galileo también realizó importantes contribuciones al estudio de la física, y en particular al estudio del movimiento. En el caso de la caída de los cuerpos, Galileo fue el primero en realizar experimentos que mostraban que si se eliminaba la fricción lo más posible, objetos de diferente masa caían con la misma aceleración en la gravedad terrestre, lo que contradecía dos milenios de física aristotélica. En esa época esto no era más que una observación interesante, pero con el paso de los siglos ha resultado ser una observación revolucionaria.

Para la segunda mitad del siglo XVII Isaac Newton sentó las bases matemáticas de la física y formuló las leyes del movimiento que aún llevan su nombre.  Entre sus más grandes contribuciones, Newton concluyó que la fuerza de gravedad que hace que los objetos caigan a la Tierra, es exactamente la misma que mantiene a la Luna dándole vueltas a la Tierra, y a la Tierra y los demás planetas dándole vueltas al Sol. Newton postuló la ley de la “gravitación universal”, que permitía explicar matemáticamente las órbitas de los planetas, y que daba como resultado automático las leyes sobre el movimiento planetario, descubiertas por Johannes Kepler medio siglo antes, a partir de observaciones muy precisas de la posición de los planetas en el cielo. Por ejemplo, Kepler había mejorado el modelo heliocéntrico de Copérnico, al mostrar que los planetas se movían alrededor del Sol en elipses en lugar de círculos, y la ley de la gravitación de Newton predecía estas elipses de forma natural.

Desde el punto de vista newtoniano, la gravedad podía describirse como una fuerza que actuaba de manera instantánea entre dos objetos con masa. La naturaleza de esta fuerza y la manera en la que se propagaba de un objeto a otro, eran desconocidas. Esta “acción a distancia” a través del espacio vacío, fue causa de muchas críticas hacia la teoría de Newton. Newton mismo entendía muy bien dichas críticas, pero su teoría funcionaba muy bien en la práctica, y en ese momento aún no se contaba con los elementos adecuados como para tener una descripción más satisfactoria. Habría que esperar otros 250 años.



Ondas gravitacionales producidas en la colisión de
frente de dos agujeros negros de masas iguales


Electromagnetismo y la velocidad de la luz

La acción a distancia permaneció como un mal necesario en la física hasta el siglo XIX, cuando científicos como Coulomb, Ampere y Faraday estudiaron las propiedades de la electricidad y el magnetismo. Hacia mediados del siglo XIX, James Clerk Maxwell unificó las leyes de la electricidad y el magnetismo en un conjunto de ecuaciones matemáticas hoy conocidas como las “ecuaciones de Maxwell”, en las que la electricidad y el magnetismo resultaban ser manifestaciones distintas de un mismo fenómeno.

Las leyes del electromagnetismo de Maxwell estaban basadas en un concepto nuevo en esa época, inicialmente introducido por Faraday, y que hablaba de la existencia de “campos de fuerza” que permeaban el espacio. Los campos eléctrico y magnético eran producidos por cargas y corrientes eléctricas, pero se extendían más allá de dichas cargas, y podían visualizarse como “líneas de fuerza” que conectaban unas cargas con otras. Más aún, las variaciones en el campo eléctrico podían producir un campo magnético y viceversa, incluso lejos de las cargas responsables de la existencia del campo. En particular, las ecuaciones de Maxwell predecían que cambios en el campo electromagnético se propagaban a través del espacio como ondas. Las llamadas “ondas electromagnéticas” viajaban a una velocidad universal que podía calcularse como una combinación sencilla de constantes físicas bien conocidas.  Al calcular el valor de esta velocidad Maxwell encontró que era de aproximadamente trescientos mil kilómetros por segundo. De hecho, desde fines del siglo XVII, ya se conocía algo que viajaba precisamente a esa velocidad: la luz.1 Maxwell concluyó entonces que la luz debería ser precisamente una onda electromagnética, conclusión que fue posteriormente confirmada. Las ondas electromagnéticas se pueden clasificar por la frecuencia de la oscilación de los campos eléctrico y magnético asociados a ellas, y van desde las ondas de radio para frecuencias bajas, pasando por las microondas, la luz infrarroja, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y, finalmente, los rayos gamma a frecuencias muy altas.

Las ondas electromagnéticas mostraban por primera vez que era posible tener una entidad física no material, el campo de fuerza, que podía propagarse por el espacio vacío a una gran velocidad. Esto permitía desde luego pensar que la fuerza de gravedad newtoniana podía ser en realidad un campo de fuerza similar al electromagnético, pero producido por las masas de los objetos en vez de por sus cargas eléctricas.

1. La velocidad de la luz fue mediada por Ole Christensen Romer en 1676, a partir de observaciones astronómicas del movimiento de las lunas de Júpiter.
 
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