¿Cuál es la “velocidad de la gravedad”?

Afonso RL me preguntó hace un tiempo a qué velocidad se transmite la gravedad. Ilustraba su pregunta con un ejemplo: si fuéramos capaces de materializar de la nada un objeto tremendamente masivo a una gran distancia (como la órbita de Neptuno, por ejemplo), ¿notaríamos su influencia gravitatoria al instante o ésta tardaría un tiempo en alcanzarnos?

Es una pregunta muy interesante porque tiene cierta similitud con debate que existió alrededor de la luz durante los siglos XVII y XVIII: ¿se propaga por el espacio a una velocidad finita o su velocidad es infinita y, por tanto, puede recorrer el universo de punta a punta de manera instantánea?

Con el tiempo, experimentos cada vez más precisos determinaron que la luz se propaga a casi 300.000 kilómetros por segundo en el vacío. Muy lejos de una velocidad infinita, por supuesto, pero tan rápido que, a efectos prácticos, a nuestros sentidos les es imposible distinguirlo.

Hoy en día existe un debate parecido entorno a la “velocidad a la que se propaga la gravedad“. Voy a poner un poco de contexto, porque nuestra visión de la gravedad ha cambiado bastante con el tiempo.

A finales del siglo XVII Newton publicó la que es considerada la obra científica más importante de la historia y en la que, entre otras cosas, explicaba que lo que mantenía a los planetas dando vueltas alrededor del sol era la misma fuerza invisible que nos mantiene a nosotros pegados al suelo. A esta fuerza invisible le llamó gravedad, una palabra que deriva del latín “gravis“, “pesado“.

Dato curioso: Para experimentar con su percepción de la luz, Newton se hurgaba el ojo con una barra de metal para ver cómo le afectaba la deformación de su globo ocular. (Fuente)


Algo que hoy en día nos parece tan sencillo no era tan obvio en tiempos pasados. De hecho, Newton fue la primera persona que se planteó seriamente la misma fuerza que hace que las cosas caigan hacia la superficie de la Tierra se extendía más allá de las copas de los árboles y cuantificó que su intensidad disminuía con el cuadrado de la distancia (como comentaba en esta otra entrada sobre el choque de agujeros negros).Y tenía razón: mientras un objeto se desplace con la velocidad suficiente podrá colocarse en órbita alrededor de otro sin ser atraído hacia su superficie y chocar contra él, igual que hacen los planetas alrededor del sol o la Luna alrededor de la Tierra. En esta otra entrada sobre la verdadera causa de la ingravidez de los astronautas lo explicaba con más detalle.La cuestión es que, en la formulación de Newton, la gravedad no era más que una fuerza invisible que aparece de manera instantánea entre dos cuerpos, siendo más o menos intensa dependiendo de sus masas y la distancia que los separa. O sea, que cualquier cambio de posición o de masa de uno de los cuerpos sería notado al instante por el otro.En aquella época nadie tenía motivos para dudar de la “instantaneidad” de la gravedad ya que, con la tecnología disponible para observar el cielo y los márgenes de error que ésta tenía asociados, nadie había notado ningún problema derivado de esta suposición a la hora de comparar las predicciones hechas sobre la posición de los cuerpos celestes con sus posiciones reales en el cielo.Espera un segundo, ¿podrías recomendarme algún libro donde pueda leer más sobre este tema? Es que me está picando la curiosidad y lo estás contando muy por encima.Pues sí, voz cursiva, gracias por mencionarlo: todo esto (incluidas las locuras de Newton) lo explico con mucho más detalle en “El universo en una taza de café“, el libro sobre historia de la astronomía que publiqué con la editorial Paidós en septiembre y al que podéis echar un vistazo haciendo click en este enlace (guiño, guiño, regalo de navidad, guiño, guiño).Pero, bueno, la tecnología avanzó y, a medida que aparecían instrumentos que nos permitían observar el cielo con una precisión cada vez mayor, nos dimos cuenta de que la visión que teníamos sobre la gravedad estaba, como poco, incompleta. Uno de los problemas que se detectaron (y que comentaba en esta otra entrada) era el movimiento de la órbita de Mercurio alrededor del sol, que no podía ser explicado utilizando los efectos que tenían sobre él el resto de los planetas mediante la “fuerza invisible e instantánea” de Newton.A principios del siglo XX, Einstein solucionó el problema al descubrir que las observaciones se ajustaban mucho mejor a la realidad si la gravedad se interpretaba como una distorsión creada por las estrellas y los planetas sobre el propio tejido del tiempo y el espacio (en la misma entrada he comentado antes explicaba esto con mucho más detalle).

Esta distorsión del espacio-tiempo suele representarse con la figura de la izquierda pero, como el espacio es un lugar tridimensional, tiene una pinta más similar a lo de la derecha. (Fuente)

Y esta interpretación funcionaba mucho mejor que cualquier otra teoría a la hora de predecir con precisión el comportamiento de los cuerpos celestes.

Precisamente el papel de la teoría de la relatividad es clave para responder a la pregunta de Alfonso RL: si la gravedad es el resultado de la deformación del propio tejido del espacio y el tiempo, entonces sus efectos deben propagarse como una onda a través de él, igual que las ondas creadas a través de él como una piedra al caer al agua (pero en tres dimensiones, claro). Estas ondas gravitacionales se desplazarán a una velocidad finita, concretamente a la velocidad de la luz, el límite de velocidad máximo permitido por la relatividad.

Recreación de las ondas gravitacionales producidas por dos agujeros negros orbitando muy cerca el uno de lo otro. (Fuente)

O sea, que si ahora mismo la masa del sol se duplicara, por ejemplo, la Tierra tardaría 8 minutos en notar el aumento de la intensidad gravitatoria en su órbita. En este escenario, nuestro planeta estaría moviéndose demasiado despacio como para poder mantener una órbita estable bajo la influencia del nuevo campo gravitatorio más intenso, así que a partir de entonces empezaríamos a precipitarnos hacia el sol.

Así que ahí tienes tu respuesta, don Alfon…

Un momento, no seas tan conclusivo aún. ¿Hay alguna prueba de que esto sea así?

Bueno, voz cursiva, no hay ninguna prueba conclusiva, pero hay evidencias indirectas de que este es el caso.

Si la teoría de la relatividad es correcta, entonces parte de la energía de dos objetos que estén dando vueltas entre sí en el espacio debería ser disipada en la forma de ondas gravitacionales. Al perder energía de esta manera, los dos cuerpos deberían ir perdiendo velocidad con el tiempo y, por tanto, al reducirse su velocidad empezarán a acercarse entre sí.

La cantidad de energía perdida por la emisión de ondas gravitatorias es diminuta, por lo que la pérdida de velocidad es imperceptible en casos como el de la Tierra y el sol. En nuestro caso, el radio de la órbita de la Tierra estaría reduciéndose a un ritmo de unos 1,1×10-20 metros cada segundo o, lo que es lo mismo, una distancia equivalente a la diezmilmillonésima parte del diámetro de un átomo cada segundo. O sea, que para que la Tierra se acerque 1 metro al sol debido a la emisión de ondas gravitacionales deberían pasar alrededor de 28.800 millones de años. Así que de momento no os tenéis que preocupar por esto.

De hecho, la pérdida de energía provocada por este fenómeno es tan mínima que no podemos medirlos en un entorno como el de nuestro sistema solar a lo largo de una vida humana (ni la edad del universo, dado que “sólo” lleva existiendo unos 13.700 millones de años). Por suerte, en el espacio existen otros sistemas compuestos por cuerpos con masas mucho mayores y que, en comparación, apenas están separados entre sí. Por tanto, cualquier efecto producido por la gravedad en estos sistemas estará tremendamente magnificado, hasta el punto de que la raltenización sus componentes debido a la emisión de ondas gravitacionales será fácilmente reconocible.

Un ejemplo es el sistema de púlsares PSR1913+16, en el que dos estrellas de neutrones que tienen masas equivalentes a 1,44 y 1,38 veces la de nuestro sol orbitan entre sí a una distancia de sólo 700.000 kilómetros, lo que equivale al doble de distancia que separa la Tierra de la Luna. Además, se mueven tan deprisa que tan sólo tardan 7,75 horas en completar una órbita.

En 1975 se registraron los datos de velocidad, distancia y masa de estas dos estrellas de neutrones y se predijo cuánto iba a cambiar su órbita durante los siguientes 30 años debido a la pérdida de energía por la emisión de ondas gravitacionales, según la teoría de la relatividad. Este sistema se encuentra demasiado lejos como para que podamos medir directamente cómo cambia la distancia que separa las dos estrellas de neutrones, pero lo que sí que podemos hacer es medir cuánto varía el tiempo que  las estrellas tardan en completar una órbita con el paso de los años para descubrirlo.

Durante 30 años, la velocidad de las dos estrellas de neutrones se ha ido reduciendo al ritmo se había predicho utilizando la teoría de la relatividad y a día de hoy tardan 45 segundos más en completar su órbita que cuando empezaron las observaciones.

(Fuente)

A este ritmo, estas dos estrellas de neutrones se acercan entre sí 3,1 milímetros cada vez que completan una órbita, de modo que en 300 millones de años se habrán acercado tanto que las dos se fusionarán. Por tanto, el hecho de que la predicción de la teoría de la relatividad se haya ajustado a la realidad (con un margen de error del 1%, eso sí) es un muy buen indicio de que las ondas gravitacionales existen, de que se desplazan a la velocidad de la luz y de que este mecanismo de pérdida de energía es real.

Pero, como comentaba, aún hay cierta polémica sobre la velocidad de la gravedad.

El debate no está en si la gravedad se propaga de manera instantánea o no: sabemos que si la gravedad se pudiera transmitir de manera instantánea entre dos puntos del espacio, entonces tendría que propagarse a una velocidad infinita. Pero para que cualquier cosa alcance una velocidad infinita se necesita una cantidad infinita de energía, algo que no contiene ningún sistema compuesto por cuerpos con masas finitas que se desplazan a velocidades también finitas, como es lógico.

En cualquier caso, pese a que los astrónomos están de acuerdo en que la gravedad se propaga a una velocidad finita, existe algo de controversia alrededor de cual es esa cifra, sugiriendo velocidades de entre 20 veces y 20.000 millones de veces mayor que la velocidad de la luz.

De momento, esta polémica seguirá hasta que podamos detectar las ondas gravitacionales (en vez de las señales de su presencia) y medir directamente su velocidad… Así que como mínimo habrá que esperar a que no saque de dudas el proyecto LISA de la Agencia Espacial Europea, que se lanzará en 2034.

Mientras tanto, os voy a dar un par de ideas que os pueden ayudar a matar el tiempo…

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

27 pensamientos en “¿Cuál es la “velocidad de la gravedad”?”

  1. No es tanto que tenga energía como que su masa tiende a infinito al acercarse a velocidad c. Si no tuviera masa, no habría problema. Es apasionante el tema de si se puede o no colocar en la teoría unificada.

  2. Excelente artículo, pero tremendo final. En cuanto he leído lo de 20.000 millones de veces la velocidad de la luz, he pensado en el bueno de Tom Van Flandern, que en paz descanse. Es el mismo científico que estaba convencido de que la Cara de Marte es artificial, obra de inteligencias extraterrestres. Te has lucido, consideras esa idea delirante, y te estrellas con semejante afirmación como la que hace Van Flandern. Sólo aceptaron publicarle un artículo en una revista científica, y creo que fue por cansino, no tiene otra explicación. En fin…

  3. Gran post, mis conocimientos de física son muy modestos y no me ha sido díficil seguir tu exposición del problema.

    Una duda: ¿entonces la velocidad a la que se producen los fenómenos de entrecruzamiento dados en mecánica cuántica tb podría ser finita y estaría relacionada con la velocidad de las ondas gravitacionales o no tendría nada que ver?

  4. Yo tenía entendido que la velocidad de la gravedad era la máxima permitida en un mundo relativista: la velocidad de la luz. Pero entonces me viene la siguiente pregunta: ¿cómo es posible que la gravedad de un agujero negro escape de su horizonte de su sucesos, y los cuerpos cercanos la sientan, cuando ni siquiera la luz es capaz de escapar de él?

  5. Muy buen artículo. Solo te puedo sugerir revisar el párrafo siguiente:
    “Por tanto, cualquier efecto producido por la gravedad en estos sistemas estará tremendamente magnificado, hasta el punto de que la raltenización sus componentes debido a la emisión de ondas gravitacionales será fácilmente reconocible.”

  6. Podría ser que la velocidad de la gravedad sea igual a la velocidad de propagación de los gravitones, es decir, la velocidad de la luz. La misma velocidad que la propagación de la fuerza eléctrica, que está mediada por los fotones.

  7. Las correlaciones por entrelazamiento son instantáneas, y eso no contradice las leyes de la relatividad, porque no tienen ninguna relación causal. De hecho, si intentas usar entrelazamiento para transmitir información cuántica (teleportación cuántica), necesitas enviar un numero aleatorio clásico mediante un canal antes de poder concluir el protocolo, por lo que la relatividad sigue respetandose. El entrelazamiento viola la relatividad “en su espíritu, pero no en su letra”.

  8. Gracias por la respuesta a una pregunta que hace tiempo que me hacía, aun que esta era una pregunta consecuencia de otra. Imaginaba una cuerda hipotética de elasticidad 0 totalmente estirada y la pregunta sería, si un tirón en un extremo se transmitiría instantáneamente al otro o tendría una velocidad. en realidad la pregunta que me hacía era si en realidad existía algo que se transmitiera instantáneamente.
    Seguro que es una pregunta muy chorras pero bueno, en esas cosas entretengo mi mente, jeje

  9. redhead, la masa de un objeto no cambia con la veloidad.
    El concepto que tú expones se denomina «masa relativista» y, actualmente, está en desuso, como en su día ocurrió con los conceptos, en cierta forma relacionados, de «masa transversal» y «masa longitudinal». La masa es siempre «masa en reposo» (tradicionalmente se llamaba así para distinguirse de la masa relativista). Conclusión: sólo hay una masa inercial (que coincide con la gravitatoria vía principio de equivalencia), y es independiente de la velocidad. La energía cinética sí crece hacia el infinito cuando la velocidad del móvil se acerca a la de la luz en el vacío.

  10. Arggggh!.¡Gracias!.Me acuerdo que en tercero de BUP hice esa pregunta a mi profesor de física (por cierto, astrofísico) …y ni me entendía qué quería decir con lo de la velocidad de la gravedad. Treinta años después, me siento vindicado al fin. ¡Gracias de nuevo, se ha hecho justicia!

  11. He visto que están a punto de demostrar que la gravedad es una onda, tal y como predijo Albert Einstein. Si esto es así, ¿Quiere decir que podríamos modificar esta onda para que actuase según nuestra voluntad? Me refiero en el supuesto de que tuviéramos la tecnología adecuada.

    Muchas gracias y enhorabuena por el blog.

  12. Entonces “Estas ondas gravitacionales se desplazarán a una velocidad finita, concretamente a la velocidad de la luz, el límite de velocidad máximo permitido por la relatividad” o se mueven entre 20 y 20.000 millones de veces más rápido?

  13. Una pregunta: cuando se dice “la gravedad se interpretaba como una distorsión creada por las estrellas y los planetas sobre el propio tejido del tiempo y el espacio” eso yo lo visualizo cómo objetos súper masivos que son capaces de cambiar la carretera de curso sin que los ocupantes del coche ni se den cuenta, o algo así..¿pero que pasa con la gravedad que hace que se me caiga un vaso al suelo? ¿Actúa de la misma forma? ¿cuando el vaso está cayendo al suelo es porque el espacio tiempo está siendo curvado y el vaso está siendo arrastrado por esa curvatura? La verdad a escalas pequeñas cuesta más entender la gravedad como distorsión. ¡ Si pudieras explicarlo para profanos te lo agradecería eternamente!

  14. Yo creo que la gravedad se comporta como una especie de superfluido, como si flotasemos en un oceano de gravedad. Lo que queremos es calcular la velocidad de un tsunami. Hasta que no consigamos manejar o crear grandes cantidades de materia no podremos medir su velocidad con un minimo de precision.

  15. Interesante. Sin embargo en el ejemplo planteado de un objeto apareciendo en la órbita de neptuno con una gran masa…. pues sentiríamos los efectos de la gravedad al descubrir el objeto. Ya que no lo veríamos hasta que su luz llegue a la tierra.
    La fuerza de la gravedad puede vencer la velocidad de la luz. Los agujeros negros ño prueban. Eso debería de bastar para probar que las ondas gravitaciónales se desplazan más rápidamente que la luz. Ya que de no ser así, no alcanzarían a atrapar la luz en el campo de gravedad.
    ¿o es que dependiendo de la masa es la velocidad de las ondas gravitacionales?

  16. Lo cierto es que existe una tercera posibilidad. Esta posibilidad sería que vivamos en un universo en el que existe una velocidad limitada (la velocidad de la luz) con una velocidad ilimitada (instantánea) y que ambas coexisten en dimensiones diferentes. Aunque esto plantea un problema irresoluble desde una perspectiva física de la realidad, ya que representaría la posibilidad de que exista un tiempo inverso.

    Pondré un ejemplo para entenderlo. Si en lugar de haber (supuestamente) detectado una onda gravitacional con su origen a 1.300 millones de años luz lo hubiéramos hecho a 10.300 millones de años luz, dado que la onda se expande en todas las direcciones espaciales, también existiría una función de onda transmitida en un sentido opuesto al nuestro. (De hecho podrían existir infinitas direcciones espacio-temporales en su trayectoría)

    Dicho de otra manera, los 10.300 millones de años serían como el radio de esta circunferencia imaginaria, cuyo centro se correspondería con el momento de la emisión de la onda de gravedad, y nuestro presente sería un punto cualquiera en el contorno de dicha circunferencia.

    Pero claro, contemplada de forma global la onda gravitacional habría abarcado un periodo de existencia igual al doble del radio de dicha circunferencia. En otras palabras, su existencia abarcaría un periodo de vida, espacio-tiempo, o como lo queramos llamar, muchísimo mayor que el tiempo que estimamos que tiene nuestro universo.

    Esto lógicamente nos lleva a una contradicción, lo cual no implica que no sea correcto. Ahora bien si esto fuera cierto exigiría revisar todos nuestros planteamientos. En este escenario se podría pensar que existe un tiempo inverso que transcurre en sentido opuesto al nuestro.

    En este contexto tendríamos dos ritmos opuestos de tiempo, cuyo entrelazamiento daría lugar a nuestra más famosa constante universal, la velocidad de la luz.

    Puede que parezca anecdótico pero matemáticamente es cierto que la combinación de dos ritmos opuestos de crecimiento se pueden condensar en un único valor. Ahora bien, tan sólo existe una posibilidad de que pase esto y esta posibilidad de denomina “divina proporción”.

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