La Luz y la curvatura del Espacio – Tiempo

La Luz y la curvatura del Espacio – Tiempo
Sergio David González Ramírez código 214509
Estudiante de Física III, Universidad Nacional
I.BREVE INTRODUCCION A LA FISICA RELATIVISTA.
Como usted seguramente sabe, la física newtoniana, la misma que nos enseñan en el colegio, no es
indiscutible ni mucho menos absoluta. Si bien es cierto que para la mayoría de los cálculos físicos
cotidianos lo hacemos, esto no significa que para cualquier parte de donde exista materia (llámese sol,
un agujero negro, o incluso el universo mismo) las ecuaciones que conocemos sean la ultima palabra
para describir los fenómenos físicos que existen y que se manifiestan en todas partes y en todo
momento. Es de esta manera como surge la física relativista (no se asuste si nunca ha tenido contacto
con ella). Esta física demuestra, básicamente, que todo lo que nosotros consideramos inmodificable en
nuestras ecuaciones de newton, de hecho lo es, sobre todo algo que sentimos toda nuestra vida. El
tiempo. Hagamos un análisis simple de esto.
El tiempo se concibe como una medida inmodificable dada por el mismo ser humano para poder
distinguir y clasificar espacios en donde se presentan hechos. Es así como podemos dar una medición de
tiempo para la distancia que recorre un carro el anillo vial de la universidad Nacional, o el periodo en el
que un estudiante X camina desde la entrada del aeropuerto hasta que se sienta en el avión. Pero la
física relativista nos dice que no trascurrirá el mismo tiempo para el auto o para el estudiante que para
cualquier otro objeto o persona que este viendo ese fenómeno desde afuera. De igual manera sucede
en términos relativistas, con la única diferencia que los cambios notorios solo son perceptibles a grandes
velocidades. Para entender mejor esto, supongamos al estudiante X que se subió a nuestro avión.
Probablemente la sensación de tiempo trascurrido no sea igual para todos dentro del avión, pero esa
sensación se podría explicar como consecuencia de la relatividad misma del tiempo. Nuestro estudiante
se dispone a hacer un viaje a la estrella más cercana a nuestro planeta (Alfa Centauro a 4 años luz de
distancia) y va a viajar a 0.99C. Decimos 0.99C, porque Albert Einstein, el mejor policía espacial de la
historia, dijo que nada puede ir a la velocidad C, porque en ese punto la masa del elemento que viaja se
multiplicaría por infinito y finalmente colapsaría.
Volvamos con nuestro estudiante. El viaje que el hará, representará un poco mas de 4 años a esa
velocidad. El ir i volver a Alfa Centauro, obviamente le tomaría el doble de tiempo, sin derecho a bajase
a tomar fotos. Pese a que la sensación de nuestro estudiante va a ser la de poco tiempo, en realidad, los
casi 10 años de su viaje no serán reales a los que vio pasar en su reloj a bordo de nuestro avión. Eso se
debe básicamente a que el tiempo en el avión se dilató, es decir, el reloj no midió igual un segundo a
como lo mediría otro acá en la tierra. Y la dilatación es mayor a medida que la velocidad aumenta y por
consiguiente la masa de nuestro avión y de nuestro estudiante también aumentaría de manera
directamente proporcional.
Esto significa que todo es relativo a la persona que hace la observación, es decir, las observaciones de
un hecho que se quiera analizar siempre tendrá un posible cambio de perspectiva si se toman en cuenta
otros puntos de vista del mismo evento, y serán tantas perspectivas como observaciones diferentes
haya sobre el mismo evento.
II. LA GRAVEDAD
Supongamos pues que nuestro estudiante ya no viaja a 0.99C, sino a 1C, y que por lo general viaja en
línea recta. Ahora podemos compararlo con un fotón, o partícula de luz. Sobre el análisis de los eventos
a grandes velocidades, en este caso la luz, podemos entonces deducir que al ser el objeto que se mueve
a mayor velocidad en el universo, su velocidad es constante, por cuanto replantea la siguiente hipótesis
sobre el fotón, o mejor dicho, nuestro estudiante viajero.: ¿Tiene el fotón masa que permita calcular su
cantidad de movimiento?
Si nos ceñimos a la analogía, podemos intuir que efectivamente, el fotón tiene masa, pero ello implicaría
que como cualquier objeto que tiene masa, la interacción de esta con fuerzas externas como la
gravedad la afectaría cambiando en algo el vector de dirección que tiene la partícula. La prueba de ello
seria entonces demostrar que un haz de luz se puede convertir de una línea recta a una curva con una
leve inclinación hacia el campo de donde proviene la fuerza. Para comprender esto, supongamos que
tenemos una pelota; si lanzamos la pelota con fuerza, la fuerza de gravedad hará que esta tarde o
temprano caiga al suelo, mas sin embargo, su velocidad en el eje x, o en el plano paralelo al piso fue
constante. Si lanzamos un cohete, este entrará en orbita alrededor de la tierra, lo que se considera
como una caída libre perpetua, mas sin embargo, se mantiene en orbita porque la fuerza de gravedad
influye constantemente en el cambio de su vector dirección. Peor si lanzamos una pelota con una
velocidad igual a la de la luz, esta escapará casi en línea recta desde el punto de lanzamiento. Digo casi
porque necesariamente al partir de un cuerpo que tiene influencia gravitatoria, esta alcanzará a
perturbar el vector de dirección en un instante de tiempo igual al que dura la partícula dentro del campo
gravitatorio. Si eso es así, quiere decir que a mayor masa, mas grande es la fuerza gravitatoria que
puede generar un objeto dado. Si la pelota fuera lanzada desde Júpiter, que tiene una masa mucho
mayor a la de la tierra, la perturbación de trayectoria de la pelota sería mucho mas pronunciada que en
el primer caso. ¿Cómo explicar esto?
La relación entre la curvatura del espacio generada por la gravedad y los cuerpos que entran en orbita alrededor de un objeto.
Imagen del libro “El universo en una cascara de nuez”, pág. 34
Pues bien, con la ayuda de las matemáticas se planteó la hipótesis de que la gravedad era fruto de que
el espacio no era un ente plano, sino curvo, es decir, todos los cuerpos en el espacio curvan a este
ultimo como consecuencia de su masa y de su velocidad, pues hay que recordad que nada en el universo
es estático, y como esos movimientos son relativos al observador, pues la percepción de curvatura es
casi nula. La prueba maestra llegó con un eclipse de sol en 1929 en el sur de África, donde se observo luz
de una estrella que se encontraba geométricamente oculta por el eclipse. Esto solo nos deja una
posibilidad; en el espacio, la forma de unir dos puntos rectos no es una línea recta, sino una curva.
Nótese la distorsión de trayectoria después de que el haz de luz pasa cerca del cuerpo con gran masa. Imagen del libro “El universo
en una cascara de nuez”, pág. 39
En teoría se pueden sugerir las siguientes hipótesis: Sugeriría entonces que existen cuerpos con masas
tan grandes, que ¿la curvatura del espacio a su alrededor seria tan pronunciada que haría que un haz de
luz entrara en orbita alrededor de este cuerpo? La respuesta es si. Los agujeros negros son estos entes
en donde la luz no sale, pero acá hay un factor mucho más grande, la curvatura del espacio tiempo no
depende solo de su masa, sino también de su densidad. (Para profundizar observe artículos
relacionados).
Sin embargo, a pesar de que se considera que la velocidad de la luz es la máxima permitida y que es
constante, no es posible suponer que la orbitalidad de los fotones alrededor de un objeto como un
agujero negro va a ser perpetua, para ello, tendríamos que suponer que todo lo que gire alrededor de
dicho cuerpo en orbitas, no describiría círculos sino elipses, esto es, que la velocidad máxima, es decir la
de la luz, se dará cuando se esta mas próximo al foco orbital, pero ello conllevaría a que la deformación
del espacio tiempo alrededor de objetos como este no seria simétrica, la pregunta que queda, por
responder es obvia: ¿Las deformaciones espacio temporales son simétricas sin importar el objeto que
las genere?
III. CONCLUSIONES
Es lógico que el estudio de fenómenos fuera de lo que se denomina frontera de lo conocido es tema de
gran controversia, alrededor de estos temas han surgido teorías como la de las p-branas que analizaré
en el siguiente escrito, sin embargo, la comparación de las deformaciones indicaría la posibilidad de que
dentro de elementos con gran densidad de masa, la velocidad de la luz no sea la máxima, pues como en
un embudo, el movimiento cíclico con disminución constante de radio indicaría aumento de la velocidad
a medida que se acerca al foco, que en este caso, seria el punto de origen de gravedad. Las
deformaciones en el espacio-tiempo nos indican la interacción entre partículas, mas sin embargo, no es
posible condicionar selectivamente el movimiento de algunas de ellas, debido principalmente que en el
universo conocido, las reglas de juego ya están dictadas. Si bien las herramientas de estudio han sido
mejoradas, estas n habían estado disponibles para genios como Einstein, pues las explicaciones
recientes, como la energía en membranas, o mas aún, tamaños de energía en diferentes dimensiones
(estos temas también se tratan en el articulo), requirieron preguntas a cosas que no eran sencillas de
identificar hace menos de medio siglo.
VI. BIBLIOGRAFIA
-
El universo en una Cascara de Nuez. Stephen Hawking. Capitulo II. La forma del tiempo. Critica
Planeta. 2002
http://www.youtube.com/watch?v=qbxiOhEmO5E
Conferencia: Historia de la Teoría General de la Relatividad. J J O'Connor y E F Robertson. Copia
en http://ciencia.astroseti.org/matematicas/articulo_4223_Historia_Teoria_General_Relatividad.htm
V. LINKS DE INTERÉS
-
http://metodolea.wikispaces.com/G8N14. Agujeros Negros
http://metodolea.wikispaces.com/G9N13. Aproximación a la Teoría de las P- Branas
http://metodolea.wikispaces.com/G8N1. Teoría de Cuerdas