Gravitaci??n

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La gravitaci??n es un producto natural fen??meno por el cual todos los objetos con masa se atraen entre s??, y es una de las las fuerzas fundamentales de la f??sica. En la vida cotidiana, la gravitaci??n se piensa m??s com??nmente considerado como la agencia que da objetos de peso. Es responsable de mantener la Tierra y los otros planetas en su ??rbitas alrededor del Sol; para mantener la Luna en su ??rbita alrededor de la Tierra, para la formaci??n de las mareas ; para convecci??n (por el cual los fluidos calientes suben); para la calefacci??n de los interiores de la formaci??n de estrellas y planetas a temperaturas muy altas; y para varios otros fen??menos que observamos. La gravitaci??n es tambi??n la raz??n de la existencia misma de la Tierra , el Sol , y la mayor??a de los objetos macrosc??picos en el universo ; sin ??l, la materia no se habr??a fusionado en estas grandes masas y la vida , tal como la conocemos, no existir??a.

Moderno f??sica describe la gravitaci??n con el la teor??a general de la relatividad , pero la m??s simple La ley de la gravitaci??n universal de Newton ofrece una excelente aproximaci??n en la mayor??a de los casos.

El t??rminos gravitaci??n y la gravedad son en su mayor??a intercambiables en el uso diario, pero en el uso cient??fico pueden hacer una distinci??n. "Gravitaci??n" es un t??rmino general que describe la influencia atractiva que todos los objetos con masa ejercen entre s??, mientras que "la gravedad" se refiere espec??ficamente a una fuerza que se supone en algunas teor??as (como Newton) para ser la causa de esta atracci??n. Por el contrario, en la relatividad general gravitaci??n es debido a las curvaturas del espacio-tiempo que causan en movimiento por inercia objetos para acelerar el uno hacia el otro.

Gravitaci??n mantiene a los planetas en ??rbita alrededor del Sol (No est?? a escala)

Historia de la teor??a gravitatoria

Historia temprana

Los esfuerzos por comprender la gravedad comenz?? en la antig??edad. Los fil??sofos en la antigua India explic?? el fen??meno desde el siglo octavo antes de Cristo. De acuerdo a Canad??, fundador de la Escuela Vaisheshika, " Peso provoca la ca??da, sino que es imperceptible y conocido por inferencia ".

En el siglo cuarto antes de Cristo, el Fil??sofo griego Arist??teles cre??a que no hab??a efecto sin causar, y por lo tanto ninguna de movimiento sin fuerza . Se plante?? la hip??tesis de que todo lo que trat?? de avanzar hacia su propio lugar en el esferas cristalinas de los cielos, y que los cuerpos f??sicos cayeron hacia el centro de la Tierra en proporci??n a su de peso.

Brahmagupta, en el Brahmasphuta Siddhanta (AD 628), respondi?? a los cr??ticos de la helioc??ntrica del sistema de Aryabhata (476-550 dC) afirmando que "todas las cosas pesadas se sienten atra??dos hacia el centro de la tierra" y que "todas las cosas pesadas caen a la tierra por una ley de la naturaleza, porque es la naturaleza de la tierra para atraer y para mantener las cosas, ya que es la naturaleza del agua a fluir, la del fuego para quemar, y el de viento para poner en movimiento ... La tierra es la ??nica cosa baja, y las semillas siempre vuelven a la misma, en cualquier direcci??n que puede tirar a la basura, y nunca elevarse hacia arriba de la tierra. "

En el siglo noveno, el mayor Banū hermano Musa, Muhammad ibn Musa, en su Astral de movimiento y la fuerza de atracci??n, la hip??tesis de que hab??a una fuerza de atracci??n entre los cuerpos celestes, presagiando La ley de Newton de la gravitaci??n universal. En el 1000, el Persa cient??fico Ibn al-Haytham (Alhazen), en el Mizan al-Hikma, discuti?? la teor??a de la atracci??n entre masas , y parece que era consciente de la magnitud de la aceleraci??n debida a la gravedad. En 1121, Al-Khazini, en El libro de la Balanza de Sabidur??a, diferenciadas entre fuerza , masa , y peso, y descubri?? que la gravedad var??a con la distancia desde el centro de la Tierra, aunque ??l cree que el peso de los cuerpos pesados aumentar, ya que son m??s lejos del centro de la Tierra. Todos estos primeros intentos de tratar de explicar la fuerza de gravedad eran de naturaleza filos??fica y ser??a Isaac Newton que le dio la primera descripci??n correcta de la gravedad .

Revoluci??n cient??fica

Obra moderna en la teor??a gravitacional comenz?? con el trabajo de Galileo Galilei en el siglo 16 y principios del siglo 17. En su famoso (aunque probablemente ap??crifa) experimento dejando caer las bolas de la Torre de Pisa , y m??s tarde con medidas cuidadosas de bolas rodando hacia abajo inclina, Galileo demostr?? que la gravitaci??n acelera todos los objetos a la misma velocidad. Este fue un cambio importante de la creencia de Arist??teles de que los objetos m??s pesados se aceleran m??s r??pido. (Galileo postul?? correctamente la resistencia del aire como la raz??n de que los objetos m??s ligeros pueden caer m??s lentamente en una atm??sfera.) El trabajo de Galileo sent?? las bases para la formulaci??n de la teor??a de la gravedad de Newton.

La teor??a de la gravitaci??n de Newton

En 1687, el matem??tico Ingl??s Sir Isaac Newton public?? Principia , que la hip??tesis de la la ley del cuadrado inverso de la gravitaci??n universal. En sus propias palabras, "deduje que las fuerzas que mantienen a los planetas en sus ??rbitas deben ser rec??procamente como los cuadrados de sus distancias a los centros sobre los que giran; y por lo tanto la fuerza en comparaci??n necesaria para mantener la luna en su orbe con la fuerza de la gravedad en la superficie de la Tierra; y encontraron a responder bastante cerca ".

La teor??a de Newton obtuvo su mayor ??xito cuando fue utilizado para predecir la existencia de Neptuno basado en movimientos de Urano que no pod??an ser explicados por las acciones de los otros planetas. C??lculos John Couch Adams y Urbain Le Verrier tanto predijo la posici??n general del planeta, y los c??lculos de Le Verrier se lo llev?? Johann Gottfried Galle al descubrimiento de Neptuno.

Ir??nicamente, fue otra discrepancia en la ??rbita de un planeta que ayud?? a se??alar los defectos en la teor??a de Newton. A finales del siglo 19, se sab??a que la ??rbita de Mercurio no pod??a explicarse por completo bajo la teor??a de Newton, pero todas las b??squedas de otro cuerpo perturbador (como un planeta en ??rbita alrededor del Sol m??s cerca que Mercurio) hab??a sido infructuosa. El problema se resolvi?? en 1915 por Albert Einstein nuevo 's Teor??a General de la Relatividad , que represent?? la discrepancia en la ??rbita de Mercurio.

Aunque la teor??a de Newton ha sido superada, la mayor??a de los c??lculos gravitacionales no relativistas modernos todav??a se hacen usando la teor??a de Newton, ya que es una teor??a mucho m??s simple de trabajar que la Relatividad General , y da resultados suficientemente precisos para la mayor??a de aplicaciones.

La relatividad general

En la relatividad general , los efectos de la gravitaci??n se atribuyen a espacio tiempo curvatura en lugar de una fuerza. El punto de partida de la relatividad general es la principio de equivalencia, lo que equivale ca??da libre con movimiento inercial. El problema que esto crea es que los objetos en ca??da libre pueden acelerar con respecto a la otra. En la f??sica newtoniana , tal aceleraci??n puede ocurrir a menos que al menos uno de los objetos le van a operar por una fuerza (y por lo tanto no se est?? moviendo por inercia).

Para hacer frente a esta dificultad, Einstein propuso que el espacio-tiempo se curva por la materia, y que los objetos en ca??da libre se mueven a lo largo de caminos localmente rectas en el espacio-tiempo curvo. (Este tipo de trazado se denomina geod??sica). M??s espec??ficamente, Einstein descubri?? la ecuaciones de campo de la relatividad general, que se refieren la presencia de la materia y la curvatura del espacio-tiempo y llevan el nombre de ??l. La Ecuaciones de campo de Einstein son un conjunto de 10 simult??nea, no lineal, ecuaciones diferenciales . Las soluciones de las ecuaciones de campo son los componentes de la tensor m??trico del espacio-tiempo. Un tensor m??trico describe una geometr??a del espacio-tiempo. Los caminos geod??sicos de un espacio-tiempo se calculan a partir del tensor m??trico.

Soluciones notables de las ecuaciones de campo de Einstein incluyen:

La Soluci??n de Schwarzschild, que describe el espacio-tiempo que rodea a un esf??ricamente sim??trica no girando sin carga objeto masivo. Para suficientes objetos compactos, esta soluci??n genera un agujero negro con un centro de singularidad. Para distancias radiales desde el centro, que son mucho mayores que el Radio de Schwarzschild, las aceleraciones predichos por la soluci??n de Schwarzschild son pr??cticamente id??nticos a los que predice la teor??a de la gravedad de Newton.
La Soluci??n de Reissner-Nordstr??m, en el que el objeto central tiene una carga el??ctrica. Para los cargos con un longitud que son menores que la longitud geometrizado de la masa del objeto geometrizada, esta soluci??n produce agujeros negros con dos horizontes de sucesos.
La Soluci??n de Kerr para hacer girar los objetos masivos. Esta soluci??n tambi??n produce agujeros negros con m??ltiples horizontes de sucesos.
La Soluci??n de Kerr-Newman para carga, rotar objetos masivos. Esta soluci??n tambi??n produce agujeros negros con m??ltiples horizontes de sucesos.
El cosmol??gica Soluci??n Robertson-Walker, que predice la expansi??n del universo .

La relatividad general ha gozado de mucho ??xito debido a c??mo sus predicciones de fen??menos que no son llamados por la teor??a de la gravedad se han confirmado con regularidad. Por ejemplo:

La relatividad general explica la an??mala perihelio precesi??n del planeta Mercurio .
La predicci??n de que el tiempo corre m??s lento a potenciales menores ha sido confirmada por el Pound-Rebka experimento, el Experimento Hafele-Keating, y la GPS.
La predicci??n de la desviaci??n de la luz se confirm?? por primera Arthur Eddington en 1919, y m??s recientemente ha sido confirmado con claridad a trav??s del uso de un quasar que pasa por detr??s del Sol visto desde la Tierra . Ver tambi??n lente gravitacional.
La tiempo de retardo de la luz que pasa cerca de un objeto masivo fue identificado por primera vez por Irwin Shapiro en 1964 en las se??ales de naves espaciales interplanetarias.
La radiaci??n gravitacional se ha confirmado indirectamente a trav??s de estudios de binario p??lsares.
La expansi??n del universo (predicha por el Alexander Friedmann) se confirm?? mediante Edwin Hubble en 1929.

Gravedad y la mec??nica cu??ntica

Varias d??cadas despu??s del descubrimiento de la relatividad general, se dio cuenta de que la relatividad general es incompatible con la mec??nica cu??ntica . Es posible describir la gravedad en el marco de la teor??a cu??ntica de campos como la otra fuerzas fundamentales, con la fuerza de atracci??n de la gravedad surge debido al intercambio de virtual gravitones, de la misma manera como la fuerza electromagn??tica surge de intercambio de virtuales fotones . Esto reproduce la relatividad general en el l??mite cl??sico. Sin embargo, este enfoque falla en distancias cortas del orden de la Longitud de Planck, donde una teor??a m??s completa de Se requiere la gravedad cu??ntica (o un nuevo enfoque de la mec??nica cu??ntica). Muchos creen que la teor??a completa que sea la teor??a de cuerdas , o m??s actualmente Teor??a M .

Detalles espec??ficos

Gravedad de la Tierra

Cada cuerpo planetario (incluyendo la Tierra) est?? rodeado de su propio campo gravitatorio, que ejerce una fuerza de atracci??n sobre todos los objetos. Suponiendo un planeta esf??ricamente sim??trica (una aproximaci??n razonable), la resistencia de este campo en cualquier punto dado es proporcional a la masa del cuerpo planetario e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde el centro del cuerpo.

La intensidad del campo gravitatorio es num??ricamente igual a la aceleraci??n de objetos bajo su influencia, y su valor en la superficie de la Tierra, g denotado, es de aproximadamente 9,8 m / s ?? (32,2 ft / s??) como el promedio est??ndar. Esto significa que, haciendo caso omiso de la resistencia del aire, un objeto que cae libremente cerca de la superficie de la tierra aumenta su velocidad con 9,8 m / s (32,2 pies / s o 22 mph) para cada segundo de su descenso. Por lo tanto, un objeto partiendo del reposo alcanzar?? una velocidad de 9,8 m / s (32 pies / s) despu??s de un segundo, 19,6 m / s (64 pies / s) despu??s de dos segundos, y as?? sucesivamente, a??adiendo 9,8 m / s para cada velocidad resultante. Seg??n tercera ley de Newton, la propia Tierra experimenta una fuerza igual y opuesta a la que act??a sobre el objeto que cae, lo que significa que la Tierra tambi??n se acelera hacia el objeto. Sin embargo, debido a que la masa de la Tierra es enorme, la aceleraci??n de la Tierra por esta misma fuerza es despreciable, cuando se mide en relaci??n con el sistema de centro de masa .

Ecuaciones para un cuerpo que cae

Bola que cae libremente por gravedad. V??ase el texto para la descripci??n.

Las ecuaciones cin??ticos y din??micos que describen las trayectorias de los cuerpos que caen son considerablemente m??s simple si la fuerza de la gravedad se supone constante. Este supuesto es razonable para los objetos que caen a la Tierra durante los relativamente cortas distancias verticales de nuestra experiencia cotidiana, pero no se sostiene a trav??s de distancias m??s grandes, como trayectorias espaciales, ya que la aceleraci??n debida a la gravedad de la Tierra es mucho m??s peque??o a grandes distancias.

Bajo el supuesto de gravedad constante, Ley de gravitaci??n de Newton se simplifica a F = mg, donde m es la masa del cuerpo y g es un vector constante con una magnitud promedio de 9,81 m / s??. La aceleraci??n debida a la gravedad es igual a este g. Un objeto inicialmente estacionario que se deja caer libremente por gravedad cae una distancia que es proporcional al cuadrado del tiempo transcurrido. La imagen de la derecha, que abarca la mitad de un segundo, fue capturada con un flash estrobosc??pico a 20 destellos por segundo. Durante el primer 1/20 de un segundo la pelota cae una unidad de distancia (en este caso, una unidad es de aproximadamente 12 mm); por 2 / 20ths ha bajado en total de 4 unidades; por 3 / 20ths, 9 unidades y as?? sucesivamente.

Bajo los mismos supuestos de gravedad constantes, la energ??a potencial, E _p, de un cuerpo a la altura h viene dada por E _p = mgh (o E _p = Wh, con W significa peso). Esta expresi??n es v??lida solamente sobre peque??as distancias h desde la superficie de la Tierra. Del mismo modo, la expresi??n $h = v ^ 2 / 2g$ para la altura m??xima alcanzada por un cuerpo proyecci??n vertical con velocidad v es ??til para las peque??as alturas y peque??as velocidades iniciales solamente. En caso de grandes velocidades iniciales que tenemos que utilizar el principio de conservaci??n de la energ??a para encontrar la altura m??xima alcanzada. Esta misma expresi??n puede ser resuelta para v para determinar la velocidad de un objeto caer desde una altura h inmediatamente antes de golpear el suelo, $v = \ sqrt {2gh}$ , Suponiendo que la resistencia del aire insignificante.

La gravedad y la astronom??a

El descubrimiento y la aplicaci??n de la ley de las cuentas de la gravedad de Newton por la detallada informaci??n que tenemos acerca de los planetas de nuestro sistema solar, la masa del Sol, la distancia a las estrellas, cu??sares y hasta la teor??a de la materia oscura . Aunque no hemos viajado a todos los planetas ni al Sol, sabemos sus masas. Estas masas se obtienen mediante la aplicaci??n de las leyes de la gravedad de las caracter??sticas medidas de la ??rbita. En el espacio de un objeto mantiene su orbitar debido a la fuerza de gravedad que act??a sobre ??l. Los planetas orbitan alrededor de estrellas, las estrellas orbitan centros gal??cticos, galaxias orbitan un centro de masa en grupos y c??mulos en ??rbita superc??mulos. La fuerza de la gravedad es proporcional a la masa de un objeto e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los objetos.

La radiaci??n gravitatoria

En la relatividad general, la radiaci??n gravitacional se genera en situaciones en que la curvatura de espacio-tiempo es oscilante, como es el caso de objetos co-orbital. La radiaci??n gravitatoria emitida por el sistema solar es demasiado peque??o para medir. Sin embargo, la radiaci??n gravitacional se ha observado indirectamente como una p??rdida de energ??a a trav??s del tiempo en los sistemas de pulsares binarios como PSR 1913 + 16. Se cree que fusiones estrella de neutrones y agujero negro formaci??n pueden crear cantidades detectables de radiaci??n gravitatoria. Observatorios radiaci??n gravitatoria como LIGO se han creado para estudiar el problema. No hay detecciones confirmadas se han hecho de esta radiaci??n hipot??tica, pero a medida que la ciencia detr??s de LIGO es refinado y como los propios instrumentos est??n dotados de una mayor sensibilidad en la pr??xima d??cada, esto puede cambiar.

Las teor??as alternativas

Teor??as alternativas hist??ricas

Teor??a aristot??lica de la gravedad
La teor??a de Le Sage de la gravitaci??n (1784) tambi??n llamada gravedad LeSage, propuesto por Georges-Louis Le Sage, sobre la base de una explicaci??n basada en el fluido donde un gas ligero llena todo el universo.
La teor??a de la gravitaci??n Nordstr??m (1912, 1913), un competidor temprano de la relatividad general.
La teor??a de la gravitaci??n de Whitehead (1922), otro competidor principios de la relatividad general.

Teor??as alternativas recientes

Teor??a de Brans-Dicke de gravedad (1961)
Gravedad inducida (1967), una propuesta de Andrei Sajarov, seg??n la cual la relatividad general podr??a surgir de las teor??as cu??nticas de campos de la materia.
Rosen teor??a bi-m??trica de la gravedad
En el din??mica newtoniana modificada (MOND) (1981), Mordehai Milgrom propone una modificaci??n de la segunda ley de Newton del movimiento para las peque??as aceleraciones.
La nueva y muy controvertida Teor??a F??sica de Procesos intenta abordar la gravedad
La autocreaci??n teor??a cosmolog??a de la gravedad (1982) por GA Peluquer??a en el que el La teor??a de Brans-Dicke se modifica para permitir la creaci??n de masas.
Teor??a nonsymmetric gravitacional (NGT) (1994) de John Moffat
Tensor-vector-escalar gravedad (TeVeS) (2004), una modificaci??n relativista de MOND por Jacob Bekenstein

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