¿Qué causa la gravedad?

Para responder a tu pregunta tengo que explicarte antes lo que es el espacio-tiempo. Se trata de un concepto que combina al espacio y al tiempo en un único continuo que contiene todos los sucesos que tienen lugar en el universo. Eso quiere decir que se considera el cosmos como un espacio-tiempo de cuatro dimensiones, las tres espaciales más la temporal. Esas cuatro dimensiones se combinan, aunque siguen teniendo una naturaleza algo distinta.

Según la Teoría de la Relatividad General, la gravedad es una característica geométrica del espacio-tiempo, es decir, los efectos gravitatorios son una consecuencia de la forma del espacio-tiempo. Si el espacio-tiempo está curvado los objetos que contiene se moverán afectados por esa curvatura y podemos decir que están afectados por la gravedad. Como todo está contenido en el espacio-tiempo, todo siente la gravedad y, por lo tanto, se mueve teniendo en cuenta su curvatura.

Pero claro, con esta explicación surge otra pregunta: ¿qué curva el espacio-tiempo? Y la respuesta es que la causante de la curvatura del espacio-tiempo es la energía que contiene. Podemos hacer una analogía pensando en el espacio-tiempo como una cama elástica. Esta cama se curva cuando ponemos una pelota encima. Así podemos entender que el movimiento de un planeta en torno a una estrella como el Sol es el movimiento del planeta cayendo por la curvatura de la cama elástica, sin necesidad de hablar de una fuerza a distancia que ejerce la estrella.

“El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse, la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse”

Pero vayamos más allá porque también debes saber que toda energía curva el espacio-tiempo y que la manera en que lo curva depende de la naturaleza de la energía y las características de su distribución.

Lo que ocurre entonces es que la relación entre la forma del espacio-tiempo (y por tanto la gravedad) y la energía va en las dos direcciones. El físico teórico estadounidense John A. Wheeler lo resumió de una manera que me parece muy gráfica: “El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse, la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse”.

Si queremos saber cuánta energía hay en un volumen y cómo curva el espacio-tiempo necesitamos conocer muchas características de su distribución. Para describir toda esa información matemáticamente de forma simple usamos un objeto matemático al que llamamos tensor energía-momento. Este objeto matemático encierra toda la información gravitatoria de la energía de una forma que es útil para cualquier observador independientemente de su movimiento.

Si pensamos en una distribución de partículas en un volumen, su tensor energía-momento se construye combinando la información de la masa de las partículas (necesaria para conocer su energía) y su momento o cantidad de movimiento (que es la masa por la velocidad). Pero también podemos pensar en regiones en las que no hay una o varias partículas, pero sí hay energía. Por ejemplo, el campo electromagnético, que le da propiedades electromagnéticas a una región del espacio, también tiene energía y momento asociados.

En general el tensor energía-momento de una región contiene la información sobre la densidad de energía, sus flujos, las presiones en todas las direcciones y las tensiones en ese volumen. Así, la gravedad está causada por todas estas características de las distribuciones de energía.

El tensor energía-momento es el objeto matemático que se relaciona directamente con las características de la geometría del espacio-tiempo en las celebradas ecuaciones de Einstein, que relacionan materia con geometría. Y nos sirve para averiguar la curvatura del espacio-tiempo, es decir, la gravedad, que provoca la existencia en ese espacio-tiempo de determinada energía.

Prado Martín Moruno es doctora en Física, profesora ayudante doctora del Departamento de Física Teórica de la Universidad Complutense de Madrid.

Pregunta enviada vía email por José Rubio

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