¿Cuál es la verdadera naturaleza de la gravedad? [cerrado]

El trabajo de la física es construir modelos que sean capaces de explicar y predecir observaciones empíricas. Nunca se puede estar completamente seguro de que un modelo dado es la descripción "verdadera", solo que, como mínimo, captura facetas de la verdad al dar cuenta con éxito de ciertas observaciones.

La ley de la gravedad de Newton modela con éxito una amplia gama de fenómenos gravitacionales, pero no es válida en regímenes extremos. La relatividad general es una mejor descripción y reduce a la gravedad newtoniana en el límite de pequeñas masas y bajas velocidades. Pero GR parece tener sus propios problemas también y una futura teoría de la gravedad, si la encontramos, debe recuperar de manera similar la relatividad general en un límite apropiado. Tal vez finalmente converjamos en la descripción "verdadera", pero se debate fuertemente si lo haremos o si tal cosa es significativa.

Considerándolo todo, es un trabajo en progreso.

Lo que sabemos es que la gravedad es un efecto que hace que el movimiento de las partículas se desvíe de las líneas rectas (euclidianas), que es un efecto atractivo más que repulsivo, que se debilita con la distancia, que el efecto se propaga a la velocidad de la luz , que la fuerza del efecto está relacionada con el grado de presencia de materia y energía; conocemos la forma de las ecuaciones que modelan con precisión la magnitud del efecto en términos de tiempo, distancia y distribución de materia y energía. No tenemos idea de por qué existe.

Al igual que muchos otros fenómenos fundamentales de la física, puede analizarlo hasta el momento y responder preguntas sobre él hasta cierto punto, pero finalmente agota el alcance de una explicación más detallada y tiene que aceptar que las cosas son como son, hasta que surge algo nuevo. a la luz (evidencia experimental, observaciones, avances teóricos, etc.) que te permite profundizar un poco más. La mayor parte de la excavación que se está haciendo ahora es en el área de la gravedad cuántica, lo que eventualmente podría arrojar más luz sobre 'por qué' la gravedad es como es, pero incluso si lo hace, aún podrá preguntarse 'pero ¿por qué es cuántica? ¿La gravedad es así? y no tener respuesta.

Hay muchas preguntas aquí. Responderé a todas las que pueda:

La expresión de Newton de la ley de la gravitación es verdadera en el sentido de que explica correctamente las observaciones de cosas como manzanas, planetas y galaxias, pero no dice por qué . La formulación de la relatividad general de Einstein nos dice por qué. Esto no invalida la ley de Newton, la amplía .

Si postulamos la existencia de una partícula sin masa (rango infinito), espín 2 (solo fuerza de atracción) que se acopla a la materia y la energía, se obtiene la gravedad como consecuencia. Esto no prueba la existencia del gravitón ni invalida ni a Newton ni a Einstein; simplemente enumera las características necesarias de una partícula (hipotética) que media la fuerza de la gravedad, una partícula que está más allá de nuestra capacidad de detección, porque sus acoplamientos son muy débiles.

Si observa algo, lo mide, lo prueba y luego formula una descripción o fórmula, entonces lo ha descrito .

Describir explica cómo , no por qué . Las leyes de Newton explican cómo interactúan los objetos y cómo interfieren con los movimientos. No explican por qué . Cuando aparezcan nuevos hallazgos en la física, entonces podríamos obtener los por qué. Eso no altera el cómo, la forma en que realmente funciona, solo agrega a la descripción una mirada a la causa también.

Pero tenga en cuenta que cuando haya hecho su observación y haya formulado su descripción, como lo hizo Newton con sus leyes, entonces solo confía en que sea cierto dentro del alcance que ha probado. Es decir, su ley tiene un rango de validez . En otras palabras, su descripción puede afirmar cómo funciona dentro de lo que ha probado, pero solo puede estipular y asumir que también funcionará en otros lugares , que en realidad es una ley universal que también sería válida en condiciones extremas.

Tome la gravedad, por ejemplo. Puede probar, medir y observar cómo caen las cosas, con qué fuerza atrae la gravedad, etc. aquí en la Tierra. Puede formular su descripción exacta. Podrías darte cuenta de que todo cae con una aceleración de$g=9.8\,\mathrm{m/s^2}$. Pero luego, un día, alguien repite sus experimentos en la cima de una montaña en México y nuevamente en el suelo cerca del Polo Norte. Se da cuenta de que la gravedad es más débil en el primero pero más fuerte en el último lugar. Resulta que la gravedad varía con la distancia desde el centro de la Tierra.

Más tarde, nuevamente, se inventa el viaje espacial y nos damos cuenta de que hay puntos en el espacio sin sensación de atracción gravitatoria cuando estás lejos de una gran masa. Todo esto no significa que su suposición de una fuerza gravitatoria constante que tira hacia abajo fuera incorrecta, solo se aplicaba cerca del suelo en la Tierra. Para ampliar su descripción y volverla universal, debe ajustarla a nuevos hallazgos en los extremos. Como ejemplo de la vida real, las leyes de Newton han resultado no ser ciertas en los extremos, por ejemplo, cuando se acercan a la escala cuántica. Ellos también tienen un rango de validez y deben ser ajustados si fueran a aplicarse universalmente.

La ley de la gravedad de Newton es una excelente aproximación, pero no produce predicciones correctas para algunas cosas (p. ej., la órbita de Mercurio o la curvatura de la luz cerca de las estrellas). La teoría de la gravedad de Einstein predice esas cosas correctamente. De hecho, hasta ahora la teoría de Einstein ha predicho correctamente todos los efectos gravitatorios que hemos observado. Sin embargo, hay buenas razones teóricas para pensar que también puede estar incompleto y que si alguna vez somos capaces de observar la gravedad en escalas cuánticas, una teoría diferente dará mejores predicciones.

¿Significa esto que Newton estaba "equivocado" o que Einstein puede estar "equivocado"? Bueno, en cierto sentido... pero es mejor decir que Einstein tenía "más razón" que Newton, y alguna futura teoría cuántica de la gravedad puede tener "más razón" que Einstein. La ley de la gravedad de Newton funciona lo suficientemente bien como para enviar naves espaciales a planetas, así que, como dije, es una excelente aproximación. Las ecuaciones de campo de Einstein que describen el espacio-tiempo curvo se reducen a las leyes de Newton en el caso de campos gravitatorios relativamente débiles y velocidades "bajas". De manera similar, cualquier futura teoría de la gravedad tendrá que producir respuestas muy cercanas a las ecuaciones de Einstein en todas las circunstancias en las que se hayan probado.

Entonces, ¿cuál es la naturaleza "verdadera" de la gravedad? La mejor respuesta que tenemos ahora es que se debe a la curvatura del espacio-tiempo. Algún día en el futuro puede que tengamos una mejor respuesta. Así es como funciona la ciencia... no hay una verdad final absoluta, solo aproximaciones cada vez mejores a la realidad.

No existe tal cosa como la "verdadera naturaleza de algo" en física. Es más una pregunta filosófica (y filósofos, por favor, denle la pelota a otra persona si me equivoco, sé que es difícil).

La física consiste en modelos.

Es bueno cuando un modelo se alinea con las observaciones. El autor recibe citas.

Es incluso mejor cuando el modelo se usa para predicciones exitosas. El autor a veces recibe el Nobel.

A veces, un modelo es reemplazado por uno mejor (gravedad de Newton => relatividad de Einstein).

A veces, se usa ampliamente un modelo más antiguo y no el mejor, pero "lo suficientemente bueno" y lo suficientemente simple. Por ejemplo, la gravedad de Newton se usa prácticamente a diario. La relatividad de Einstein solo se usa cuando necesitamos muy buena precisión o cuando se sabe que el modelo de gravedad de Newton falla.

A veces, un modelo puede explicar otro modelo (decimos que la naturaleza de los procesos químicos es electromagnética o que las interacciones electromagnética y débil pueden fusionarse en un modelo electrodébil común).

Pero, con la gravedad, no tenemos ese lujo.

No es que no lo intentemos. Tenemos, por ejemplo, "gravedad entrópica": un intento de explicar la gravedad mediante la termodinámica. Si esta teoría madura y se limpian las peores asperezas, podríamos decir que la verdadera naturaleza de la gravedad es termodinámica. Pero no decimos esto ahora.

Tampoco es exactamente marginal en estos días postular alternativamente que la curvatura del espacio-tiempo emerge del entrelazamiento cuántico de campos. La energía sigue necesariamente. Luego, la gravedad se agrega 'gratis' como una propiedad estadística (emergente) del sistema, la entropía de este entrelazamiento en cada punto.

Les diré que hay una serie de conceptos o teorías muy especulativas sobre lo que realmente causa la gravedad, que van hasta la fuga de universos alternativos que salen de los agujeros negros. Hace cinco años decidí idear mi propio concepto, y aquí está. Pero recuerda que esto es especulativo así que, por el amor de Dios, no lo cites en ningún artículo, pero tal vez te haga pensar.

El corazón de la teoría es que una excitación del campo de gluones conduce a una dilatación del espacio de partículas de la gravedad cuántica de bucles. Es el tamaño de estas partículas lo que define la velocidad de la luz y, por lo tanto, la velocidad del tiempo. Es la deformación del espacio-tiempo lo que causa la gravedad. Entonces, lo que tenemos es un mecanismo que causa la deformación del espacio-tiempo y, por lo tanto, la gravedad.

Ahora los detalles:

Para la gravedad de un planeta o estrella, como saben, la materia está formada por átomos, formada por protones y neutrones, a su vez formada por quarks y gluones. Estos gluones giran a c, la velocidad de la luz. También tienen una carga, llamada carga de color, análoga a la carga eléctrica de un electrón. Así como el espín del electrón conduce a una excitación del campo electromagnético que rodea un imán de barra, el espín del gluón conduce a la excitación del campo de gluones que rodea un planeta.

Si observa el espacio de partículas en la teoría de la gravedad cuántica de bucles, comprenderá que la energía hace que estas diminutas partículas cambien de forma. Diría que la energía hace que estas diminutas partículas se dilaten. Cuando leí sobre LQG, lo primero que se me pasó por la cabeza fue que en un universo diferente, si las partículas fueran más grandes o más pequeñas, la velocidad de la luz sería diferente. Esto se debe a que la luz debe viajar entre las partículas. Es la velocidad de la luz la que define la velocidad del tiempo, por lo que, en esencia, cambiar el tamaño de las partículas cambia la velocidad del tiempo. Así llegamos a una definición clara de la deformación del espacio-tiempo que está en el corazón de la relatividad.

Esta es la razón por la que la atracción gravitatoria de un planeta o una estrella está directamente relacionada con la cantidad de gluones en su interior. Es decir, un planeta hecho de plomo tiene más gravedad que un planeta de tamaño similar hecho de estaño. Tiene más gluones, por lo tanto, una mayor excitación del campo de gluones circundante y una mayor deformación del espacio-tiempo que rodea al planeta.

Ahora mirando los agujeros negros. Sabemos que bajo el principio de exclusión de Pauli, las partículas de espín 1 como los gluones pueden ocupar el mismo espacio. Por lo tanto, es ciertamente posible que los gluones equivalentes a una estrella colapsen hasta convertirse en una singularidad.

Edite para responder a las preocupaciones de Eric en los comentarios. Este concepto también explica la dilatación del tiempo cinético y la materia oscura.

El campo de gluones está en todas partes del universo. Cualquier cosa que se mueva a través de ese campo de gluones, ya sea un electrón, un cohete espacial o una galaxia, generará una "onda de proa" en el campo. Esta onda de proa también es una excitación del campo de gluones, por lo que conducirá a la dilatación del tiempo cinético y la gravedad exactamente de la misma manera.

Llegué a entender esto cuando hice esta pregunta hace un par de años. Pregunté si un cohete relativista pasaba muy cerca de un reloj, en el instante en que pasaba el cohete, el reloj funcionaría más lento. La respuesta es sí. Así que esto me llevó a entender que no es simplemente un objeto relativista el que experimenta la dilatación del tiempo, sino también el espacio que lo rodea.

En realidad, esto explica la materia oscura, que debería llamarse gravedad oscura, porque no hay materia real involucrada. Si observa un mapa de materia oscura en el universo, verá que siempre está asociado con una galaxia que se mueve rápidamente. Por ejemplo, el Bullet Cluster de 40 galaxias se cita a menudo como la prueba de la materia oscura. Ver este enlace El cúmulo de balas se mueve a aproximadamente el 1% de c, lo que es muy rápido. Puedes ver en la imagen que el área púrpura alrededor de las galaxias se ve exactamente como una onda de proa en el espacio. Más recientemente, los científicos han descubierto que las galaxias de movimiento lento y las galaxias más difusas tienen poca o ninguna materia oscura. Esto es exactamente lo que esperaría de una ola de proa. Un grupo de botes de remos no crea la misma ola de proa que un barco.