Interacción gravitatoria

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La interacción gravitatoria es la experimentadas por las partículas por el hecho de estar dotadas de masa.

Es, con diferencia, la más débil de las cuatro interacciones fundamentales. Sin embargo, sus efectos tienen un rango de acción ilimitado y son acumulativos, lo que le confiere una indiscutible preponderancia a nivel macroscópico.

Tabla de contenidos

Efecto acumulativo:

Mientras que las dos interacciones nucleares (fuerte y débil) dejan de mostrar sus efectos en cuanto las partículas que las sufren se alejan mínimamente, la fuerza gravitatoria tiene un alcance ilimitado, experimentamos atracción gravitatoria de cualquier partícula por alejada que esté.

Esto explica por qué es una fuerza tan poderosa a nivel macroscópico. Por ejemplo, la atracción que ejerce un simple kilogramo de masa bajo nuestros pies no es muy importante y de hecho no logramos percibirla; sin embargo, las millones de toneladas que supone la masa de todo el planeta acumula tal poder atractivo sobre nosotros que no somos capaces de despegarnos de su superficie de forma permanente.

Fuerza atractiva:

La fuerza electromagnética también es acumulativa, pero la existencia de cargas positivas y negativas deviene en que la mayoría de los cuerpos terminen por poseer una carga global neutra, lo que anula este efecto acumulativo.

Sin embargo, la fuerza gravitacional es siempre atractiva. Mayor masa, mayor atracción.

Además, la característica de ser atractiva y no repulsiva produce que las partículas que la sufren tiendan a agruparse, sumando sus efectos, lo que redunda en una mayor condensación. Esto da lugar a gigantescas formaciones de masa concentrada que llega a colapsar sobre sí misma, como el caso de las estrellas de neutrones o los agujeros negros.

Alcance ilimitado:

No obstante, su influencia se reduce a medida que aumenta la distancia según la Ley de la Gravitación Universal descrita por sir Isaac Newton.

Esta disminución con el cuadrado de la distancia es fundamental para permitir la ordenación del universo tal y como lo conocemos. Si la atracción gravitatoria no disminuyese con la distancia, sentiríamos el efecto de atracción de todos los planetas del sistema solar con igual intensidad que lo sentimos respecto a la Tierra. De hecho, ya que nuestro planeta no es ni mucho menos el cuerpo más masivo de nuestros alrededores, su atracción no sería suficiente para retenernos y nos encontraríamos viajando por el espacio hacia el Sol, que a su vez viajaría en línea casi recta hacia el centro de la galaxia, arrastrando tras de sí una cola de planetas y cuerpos que ya no le orbitarían. En definitiva, un escenario muy improbable para la vida.

Bosones relacionados.

Existen numerosos problemas para crear una teoría cuántica de la gravedad. Principalmente dos: una explicación de cómo interactúan las partículas dotadas de masa y una explicación del origen de esta masa.

Para explicar la interacción entre partículas dotadas de masa se ha postulado el gravitón.

Para explicar la dotación de masa de las partículas se ha postulado el campo de Higgs con su bosón asociado.

Ambas teorías/partículas son posiblmente incompatibles entre sí.

Bosón portador:

La gravedad es una fuerza de efectos bien conocidos y predecibles desde hace tiempo. Einstein, por su parte, proporcionó un modelo que integraba a la gravedad en su llamada Teoría de la Relatividad General. Sin embargo se desconoce su mecanismo de funcionamiento a nivel cuántico.

Las otras tres interacciones fundamentales han podido ser descritas a nivel cuántico mediante los llamados bosones portadores, partículas virtuales que transportarían dichas fuerzas. Así, el intercambio de gluones entre los quarks produce la atracción nuclear fuerte que los mantiene unidos en hadrones.

¿Existe la correspondiente partícula virtual cuyo intercambio sea el responsable de la interacción gravitatoria? Algunas teorías postulan que esta partícula virtual es el gravitón, pero no se ha conseguido formular un modelo completo que lo integre ni se ha podido detectar su presencia en los aceleradores.

En términos sencillos, dos partículas dotadas de masa se atraerían mutuamente gracias al intercambio de gravitones. Es este intercambio, el que crearía un campo, que mantendría unidas a ambas partículas.

Este es uno de los mayores retos de la física actual, el unificar la teoría cuántica y la teoría de la relatividad en una única teoría unificada que explique la gravedad a nivel cuántico.

Bosón de Higgs:

El bosón de Higgs es una partícula elemental, asociada al llamado campo de Higgs, que juega un papel fundamental en el mecanismo que origina la masa en las partículas elementales. Explicado con una analogía simplificadora, la masa de las partículas estaría causada por la interacción de estas con el campo de Higgs, una especie de "rozamiento". Particulas que interactuasen poco con el campo de Higgs (que no sufrieran apenas rozamiento al atravesarlo) tendrían poca masa (como los neutrinos). Una partícula pesada, por contra, adquiriría su masa al rozarse con este campo.

El mecanismo de Higgs (con su campo y su bosón) era necesario para completar el Modelo Estándar de la mecánica cuántica. Se denominá así porque fue postulado con sus características actuales por un grupo de físicos entre los que se encontraban el británico Peter Higgs y el belga François Englert, en los años 60.

El 4 de julio de 2012, varios experimentos llevados a cabo de manera independiente en el CERN confirmaron el descubrimiento de una nueva partícula elemental, un bosón portador de masa unas 135 veces la del protón, que es compatible con las características predichas para el bosón de Higgs del Modelo Estándar. Sin embargo, todavía es pronto para descartar otras teorías como supersimetría, que predice la existencia no de uno, sino de varios bosones de Higgs.

Otras características del bosón serían que posee spin cero y que es su propia antipartícula.

El descubrimiento realizado en el CERN ha merecido la concesión del Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2013 a Peter Higgs, François Englert y el CERN. Ambos científicos obtuvieron además el premio Nobel de física de 2013 por "su descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a nuestro entendimiento del origen de las partículas subatómica con masa".

Energía oscura:

En los últimos años se ha postulado la existencia de una forma hipotética de energía que produce una presión negativa, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Es la llamada energía oscura, introducida como concepto físico para explicar las actuales mediciones (corroboradas hasta por tres procedimientos distintos) que indican que el universo no sólo se expande, sino que lo hace de forma acelerada, algo que no puede ser explicado únicamente con una interacción gravitatoria atractiva.

La gravedad en la realidad:

La interacción gravitatoria a nivel planetario:

Artículos principales: Órbita y pozo gravitatorio

Influencia biológica de la gravedad:

Artículo principal: Salud e ingravidez

Hay notables semejanzas entre el envejecimiento en la Tierra y los trastornos que se producen en condiciones de microgravedad, como son la pérdida de masa ósea y la debilidad muscular.

A esto hay que añadir otras incomodidades y peligros, como la aparición de mareo y desorientación al quedar afectado el oído interno, la propensión al contagio y el aumento del estrés.

En el lado positivo, la desaparición de las grandes solicitaciones a las que está sometido nuestro cuerpo bajo el peso de la gravedad terrestre podría alargar la vida de los astronautas, al tiempo que enderezaría y alargaría su columna vertebral.

La gravedad en la ciencia ficción:

Resulta paradójico que, siendo sus efectos macroscópicos, la gravedad sin embargo haya sido obviada en demasiadas ocasiones en las obras de ciencia ficción. Es bastante frecuente, por ejemplo, que en la Space Opera, un género poblado de numerosos planetas extraños y naves espaciales, los protagonistas no parezcan sentir la variación de sus efectos. Las aceleraciones a bordo de sus veloces cazas espaciales, las terribles fuerzas de inercia, la liviandad de andar por un asteroide o la pesadez y el cansancio de una gravedad superficial ligeramente mayor a la de la Tierra... Algunas de estas situaciones son simples molestias y otras terribles peligros, pero pocas han parecido dignas de mención para esta clase de autores.

Escritores más rigurosos, sobre todo dentro de la ciencia ficción dura, han encontrado, por el contrario, un aliciente adicional en la descripción de la interacción gravitatoria en circunstancias muy diferentes de las que nos son habituales, llegando incluso a basar partes importantes de una obra en estas variaciones.

Por ejemplo, en el relato La prueba, de Stanislaw Lem, las aceleraciones del cohete espacial son descritos y tenidos muy en cuenta en el desarrollo de los acontecimientos. Hal Clement, incluso, en Misión de gravedad, describe una expedición en un planeta con una velocidad de rotación tan elevada que este factor es de vital importancia.

Pero autores menos estrictos o con menores conocimientos han preferido no abordar este tema o darle una solución sencilla, como un dispositivo cuya mágica tecnología permita imitar los efectos de la presencia de una buena masa bajo nuestros pies (el caso de la gravedad artificial) o, por contra, la disminución de tan terrible fuerza acumulada mediante su opuesto, la antigravedad.

Emulando y soslayando la gravedad:

Artículos principales: Gravedad artificial, antigravedad y energía oscura

Existen varios métodos para imitar o generar gravedad de forma artificial, pero en un marco estrictamente científico, las posibilidades quedan reducidas a dos simples opciones: acelerar o rotar.

En realidad, se basa en el mismo precepto, la famosa Ley de Newton que indica que una aceleración "a", aplicada sobre una masa "m" produce una fuerza "F" de misma dirección y sentido que la aceleración y módulo el valor de la masa por la aceleración. Autores como Clarke o Larry Niven han aplicado con rigurosidad este método en sus obras.

Otros por contra, han preferido inventarse un generador de gravedad artificial, método muy habitual entre los guionistas de cine y televisión, donde sería realmente costoso la generación de los efectos especiales necesarios para simular que toda la tripulación de una enorme nave espacial se encuentra sometida a microgravedad, como en el caso de Star Trek VI: Aquel país desconocido, donde un ataque a una nave klingon desactiva momentáneamente su generador de gravedad y los tripulantes quedan indefensos a la acción de dos agresores pertrechados con botas magnéticas. Como contraejemplo se puede tomar a la pionera Destino, la Luna, película de 1950 que nos permite apreciar el gran esfuerzo de los técnicos por simular secuencias de microgravedad, evitando recurrir a explicaciones poco creíbles. Claro, que el guionista era Robert A. Heinlein, poco amigo de las licencias y las evasiones.

Pero, de validarse la hipótesis de la energía oscura, es posible que en unas décadas los generadores de antigravedad dejen de parecernos tan fantasiosos.

Masa y Higgs en la ciencia ficción:

El mecanismo de Higgs no se ha hecho verdaderamente popular hasta principios de la década de 2010, cuando los experimentos en el nuevo LHC del CERN empezaron a ser difundidos, y que tenían el objetivo declarado de buscar el bosón de Higgs. Un mal entendimiento de lo que esto significaba y ciertas etiquetas (la partícula divina) y frases desafortunadas (se podría crear un agujero negro minúsculo en el CERN) propició la aparición de un puñado de obras de tono grandilocuente (cuando no alarmista) y poco rigurosas con la verdad científica. Así, los experimentos del LHC podrían provocar el hundimiento de los continentes (El barco, 2011) o eventos semi-catastróficos globales (Universo monolítico, Robert J. Sawyer, 1999).

Una visión un poco más constructiva sobre este campo de la ciencia la podemos observar en la película Solaris (Steven Soderbergh, 2002), en la cual se propone como hipótesis que los extraños visitantes, aparentemente indestructibles, podrían estar creados por partículas subatómicas estabilizadas por un campo de Higgs. Desactivar ese campo equivaldría a hacer desparecer la masa de las partículas que los conforma, una eficaz manera de destruirlos.

Interacciones fundamentales

Interacción Bosón portador Partículas sobre las que actúa Intensidad

(en veces la gravitatoria)

Alcance
Fuerte Gluón quarks y gluones 1039 10-15 metros
Electromagnética Fotón cargadas 1037 ilimitado
Débil Bosones W y Z quarks y leptones 1030 10-18 metros
Gravitatoria Gravitón masa y energía 1 ilimitado
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