Desde la antigüedad, la humanidad ha pensado en cómo funciona el mundo que nos rodea. Por qué crece la hierba, por qué brilla el sol, por qué no podemos volar... Esto último, por cierto, siempre ha sido de especial interés para las personas. Ahora sabemos que la razón de todo es la gravedad. ¿Qué es y por qué es este fenómeno tan importante en el día de hoy? Lo consideraremos.
Introducción
Los científicos han descubierto que todos los cuerpos masivos experimentan atracción mutua entre sí. Posteriormente, resultó que esta fuerza misteriosa también determina el movimiento de los cuerpos celestes en sus órbitas constantes. La misma teoría de la gravedad fue formulada por un genio cuyas hipótesis predeterminaron el desarrollo de la física durante muchos siglos por venir. Albert Einstein, una de las mentes más grandes del siglo pasado, desarrolló y continuó (aunque en una dirección completamente diferente) esta enseñanza.
Durante siglos, los científicos han observado la gravedad, tratando de comprenderla y medirla. Finalmente, en las últimas décadas, incluso un fenómeno como la gravedad se ha puesto al servicio de la humanidad (en cierto sentido, por supuesto). ¿Qué es, cuál es la definición del término en cuestión en la ciencia moderna?
definición científica
Si estudia las obras de los pensadores antiguos, puede descubrir que la palabra latina "gravitas" significa "gravedad", "atracción". Hoy, los científicos llaman así a la interacción universal y constante entre los cuerpos materiales. Si esta fuerza es relativamente débil y actúa solo sobre objetos que se mueven mucho más lentamente, entonces la teoría de Newton es aplicable a ellos. Si ocurre lo contrario, se deben utilizar las conclusiones de Einstein.
Hagamos una reserva de inmediato: en la actualidad, la naturaleza misma de la gravedad no se ha estudiado completamente en principio. Qué es, todavía no lo entendemos completamente.
Teorías de Newton y Einstein
Según la enseñanza clásica de Isaac Newton, todos los cuerpos se atraen entre sí con una fuerza que es directamente proporcional a su masa, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Einstein, por otro lado, argumentó que la gravedad entre los objetos se manifiesta en el caso de la curvatura del espacio y el tiempo (y la curvatura del espacio solo es posible si hay materia en él).
Esta idea era muy profunda, pero la investigación moderna demuestra que es algo inexacta. Hoy en día se cree que la gravedad en el espacio solo dobla el espacio: el tiempo se puede ralentizar e incluso detener, pero la realidad de cambiar la forma de la materia temporal no se ha confirmado teóricamente. Por lo tanto, la ecuación clásica de Einstein ni siquiera ofrece la posibilidad de que el espacio continúe influyendo en la materia y el campo magnético emergente.
En mayor medida se conoce la ley de la gravedad (gravitación universal), cuya expresión matemática pertenece precisamente a Newton:
\[ F = γ \frac[-1.2](m_1 m_2)(r^2) \]
Bajo γ se entiende la constante gravitacional (a veces se usa el símbolo G), cuyo valor es 6.67545 × 10−11 m³ / (kg s²).
Interacción entre partículas elementales
La increíble complejidad del espacio que nos rodea se debe en gran medida a la infinidad de partículas elementales. También hay varias interacciones entre ellos en niveles que solo podemos adivinar. Sin embargo, todos los tipos de interacción de partículas elementales entre sí difieren significativamente en su fuerza. 
La más poderosa de todas las fuerzas que conocemos une los componentes del núcleo atómico. Para separarlos, necesitas gastar una cantidad de energía verdaderamente colosal. En cuanto a los electrones, están "unidos" al núcleo solo por interacción electromagnética ordinaria. Para detenerlo, a veces basta la energía que aparece como resultado de la reacción química más ordinaria. La gravedad (lo que es, ya lo sabes) en la variante de átomos y partículas subatómicas es el tipo de interacción más fácil.
El campo gravitatorio en este caso es tan débil que es difícil de imaginar. Curiosamente, son ellos los que “siguen” el movimiento de los cuerpos celestes, cuya masa a veces es imposible de imaginar. Todo esto es posible gracias a dos características de la gravedad, que son especialmente pronunciadas en el caso de los grandes cuerpos físicos:
- A diferencia de las fuerzas atómicas, la atracción gravitacional es más notoria cuanto más lejos del objeto. Entonces, la gravedad de la Tierra mantiene incluso a la Luna en su campo, y la fuerza similar de Júpiter sostiene fácilmente las órbitas de varios satélites a la vez, ¡la masa de cada uno de los cuales es bastante comparable a la de la Tierra!
- Además, siempre proporciona atracción entre objetos, y con la distancia esta fuerza se debilita a baja velocidad.
La formación de una teoría de la gravitación más o menos coherente se produjo hace relativamente poco tiempo, y precisamente sobre la base de los resultados de las observaciones del movimiento de los planetas y otros cuerpos celestes que se remontan a siglos atrás. La tarea se vio facilitada en gran medida por el hecho de que todos se mueven en el vacío, donde simplemente no hay otras interacciones posibles. Galileo y Kepler, dos destacados astrónomos de la época, ayudaron a allanar el camino para nuevos descubrimientos con sus observaciones más valiosas.
Pero solo el gran Isaac Newton pudo crear la primera teoría de la gravedad y expresarla en una representación matemática. Esta fue la primera ley de la gravedad, cuya representación matemática se presenta arriba.
Conclusiones de Newton y algunos de sus predecesores
A diferencia de otros fenómenos físicos que existen en el mundo que nos rodea, la gravedad se manifiesta siempre y en todas partes. Debe comprender que el término "gravedad cero", que a menudo se encuentra en los círculos pseudocientíficos, es extremadamente incorrecto: incluso la ingravidez en el espacio no significa que una persona o una nave espacial no se vea afectada por la atracción de un objeto masivo.
Además, todos los cuerpos materiales tienen una cierta masa, expresada en forma de fuerza que se les aplicó, y una aceleración obtenida debido a este impacto.
Así, las fuerzas gravitatorias son proporcionales a la masa de los objetos. Numéricamente se pueden expresar obteniendo el producto de las masas de ambos cuerpos considerados. Esta fuerza obedece estrictamente a la dependencia inversa del cuadrado de la distancia entre objetos. Todas las demás interacciones dependen de manera bastante diferente de las distancias entre dos cuerpos.
La masa como piedra angular de la teoría
La masa de los objetos se ha convertido en un punto particular de controversia en torno al cual se construye toda la teoría moderna de la gravedad y la relatividad de Einstein. Si recuerdas el Segundo, entonces probablemente sepas que la masa es una característica obligatoria de cualquier cuerpo material físico. Muestra cómo se comportará un objeto si se le aplica una fuerza, independientemente de su origen.
Dado que todos los cuerpos (según Newton) aceleran cuando una fuerza externa actúa sobre ellos, es la masa la que determina qué tan grande será esta aceleración. Veamos un ejemplo más claro. Imagina un scooter y un autobús: si les aplicas exactamente la misma fuerza, alcanzarán velocidades diferentes en tiempos diferentes. Todo esto se explica por la teoría de la gravedad.
¿Cuál es la relación entre masa y atracción?
Si hablamos de la gravedad, entonces la masa en este fenómeno juega un papel completamente opuesto al que juega en relación con la fuerza y la aceleración de un objeto. Es ella quien es la principal fuente de atracción en sí misma. Si toma dos cuerpos y ve con qué fuerza atraen a un tercer objeto, que se encuentra a la misma distancia de los dos primeros, entonces la relación de todas las fuerzas será igual a la relación de las masas de los dos primeros objetos. Así, la fuerza de atracción es directamente proporcional a la masa del cuerpo. 
Si consideramos la Tercera Ley de Newton, podemos ver que dice exactamente lo mismo. La fuerza de gravedad, que actúa sobre dos cuerpos situados a igual distancia de la fuente de atracción, depende directamente de la masa de estos objetos. En la vida cotidiana, hablamos de la fuerza con la que un cuerpo es atraído hacia la superficie del planeta como su peso.
Resumamos algunos resultados. Entonces, la masa está íntimamente relacionada con la fuerza y la aceleración. Al mismo tiempo, es ella quien determina la fuerza con la que la gravedad actuará sobre el cuerpo.
Características de la aceleración de cuerpos en un campo gravitatorio.
Esta asombrosa dualidad es la razón por la cual, en el mismo campo gravitatorio, la aceleración de objetos completamente diferentes será igual. Supongamos que tenemos dos cuerpos. Asignemos una masa z a uno de ellos y al otro Z. Ambos objetos se dejan caer al suelo, donde caen libremente.
¿Cómo se determina la relación de fuerzas de atracción? Se muestra mediante la fórmula matemática más simple: z / Z. Eso es solo que la aceleración que reciben como resultado de la fuerza de la gravedad, será exactamente la misma. En pocas palabras, la aceleración que tiene un cuerpo en un campo gravitatorio no depende en modo alguno de sus propiedades.
¿De qué depende la aceleración en el caso descrito?
Depende solo (!) de la masa de objetos que crean este campo, así como de su posición espacial. El papel dual de la masa y la aceleración igual de varios cuerpos en un campo gravitatorio se han descubierto durante un tiempo relativamente largo. Estos fenómenos han recibido el siguiente nombre: "Principio de equivalencia". Este término enfatiza una vez más que la aceleración y la inercia son a menudo equivalentes (hasta cierto punto, por supuesto).
Sobre la importancia de G
Del curso de física de la escuela, recordamos que la aceleración de caída libre en la superficie de nuestro planeta (la gravedad de la Tierra) es de 10 m/s² (9,8 por supuesto, pero este valor se usa para facilitar el cálculo). Así, si no se tiene en cuenta la resistencia del aire (a una altura significativa con una distancia de caída pequeña), entonces el efecto se obtendrá cuando el cuerpo adquiera un incremento de aceleración de 10 m/s. cada segundo. Así, un libro que ha caído desde el segundo piso de una casa se moverá a una velocidad de 30-40 m/s al final de su vuelo. En pocas palabras, 10 m/s es la "velocidad" de la gravedad dentro de la Tierra. 
La aceleración debida a la gravedad en la literatura física se denota con la letra "g". Dado que la forma de la Tierra es en cierta medida más parecida a una mandarina que a una esfera, el valor de esta cantidad está lejos de ser el mismo en todas sus regiones. Entonces, en los polos, la aceleración es mayor, y en las cimas de las altas montañas se vuelve menor.
Incluso en la industria minera, la gravedad juega un papel importante. los fenómenos a veces pueden ahorrar mucho tiempo. Por lo tanto, los geólogos están especialmente interesados en la determinación idealmente precisa de g, ya que esto permite la exploración y el hallazgo de depósitos minerales con una precisión excepcional. Por cierto, ¿cómo es la fórmula de la gravedad, en la que el valor que hemos considerado juega un papel importante? Ahí está ella:
¡Nota! En este caso, la fórmula gravitacional significa por G la "constante gravitacional", cuyo valor ya hemos dado anteriormente.
En un momento, Newton formuló los principios anteriores. Comprendió perfectamente tanto la unidad como la universalidad, pero no pudo describir todos los aspectos de este fenómeno. Este honor recayó en Albert Einstein, quien también fue capaz de explicar el principio de equivalencia. Es a él a quien la humanidad le debe una comprensión moderna de la naturaleza misma del continuo espacio-tiempo.
Teoría de la relatividad, obras de Albert Einstein
En la época de Isaac Newton, se creía que los puntos de referencia se pueden representar como una especie de "varillas" rígidas, con la ayuda de las cuales se establece la posición del cuerpo en el sistema de coordenadas espaciales. Al mismo tiempo, se asumió que todos los observadores que marcan estas coordenadas estarían en un único espacio de tiempo. En aquellos años, esta disposición se consideró tan obvia que no se intentó impugnarla ni complementarla. Y esto es comprensible, porque dentro de nuestro planeta no hay desviaciones en esta regla.
Einstein demostró que la precisión de la medición sería realmente significativa si el reloj hipotético se moviera mucho más lento que la velocidad de la luz. En pocas palabras, si un observador, moviéndose más lento que la velocidad de la luz, sigue dos eventos, entonces le sucederán al mismo tiempo. En consecuencia, para el segundo observador? cuya velocidad es igual o mayor, los eventos pueden ocurrir en diferentes momentos.
Pero, ¿cómo se relaciona la fuerza de la gravedad con la teoría de la relatividad? Exploremos este tema en detalle.
Relación entre la relatividad y las fuerzas gravitatorias
En los últimos años se han realizado una gran cantidad de descubrimientos en el campo de las partículas subatómicas. Cada vez es más fuerte la convicción de que estamos a punto de encontrar la partícula final, más allá de la cual nuestro mundo no se puede dividir. Más insistente es la necesidad de averiguar exactamente cómo los "ladrillos" más pequeños de nuestro universo se ven afectados por esas fuerzas fundamentales que se descubrieron en el siglo pasado, o incluso antes. Es especialmente decepcionante que aún no se haya explicado la naturaleza misma de la gravedad.
Por eso, después de Einstein, quien estableció la "incapacidad" de la mecánica clásica de Newton en el área en estudio, los investigadores se enfocaron en un replanteamiento completo de los datos obtenidos anteriormente. En muchos sentidos, la gravedad misma ha sufrido una revisión. ¿Qué es a nivel de partículas subatómicas? ¿Tiene algún significado en este asombroso mundo multidimensional?
¿Una solución sencilla?
Al principio, muchos asumieron que la discrepancia entre la gravedad de Newton y la teoría de la relatividad se puede explicar de manera bastante simple haciendo analogías del campo de la electrodinámica. Podría suponerse que el campo gravitatorio se propaga como uno magnético, por lo que puede declararse un "mediador" en las interacciones de los cuerpos celestes, explicando muchas inconsistencias entre la vieja y la nueva teoría. El hecho es que entonces las velocidades relativas de propagación de las fuerzas consideradas serían mucho más bajas que la velocidad de la luz. Entonces, ¿cómo se relacionan la gravedad y el tiempo?
En principio, el propio Einstein casi logró construir una teoría relativista basada en tales puntos de vista, solo una circunstancia impidió su intención. Ninguno de los científicos de esa época tenía información alguna que pudiera ayudar a determinar la "velocidad" de la gravedad. Pero había mucha información relacionada con los movimientos de grandes masas. Como es sabido, no eran más que la fuente generalmente reconocida de poderosos campos gravitatorios.
Las altas velocidades afectan fuertemente las masas de los cuerpos, y esto no se parece en nada a la interacción de la velocidad y la carga. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la masa del cuerpo. El problema es que el último valor se volvería automáticamente infinito en el caso de un movimiento a la velocidad de la luz o superior. Por lo tanto, Einstein concluyó que no existe un campo gravitacional, sino tensorial, para cuya descripción se deben utilizar muchas más variables.
Sus seguidores llegaron a la conclusión de que la gravedad y el tiempo prácticamente no tienen relación. El hecho es que este campo tensor en sí mismo puede actuar sobre el espacio, pero no puede influir en el tiempo. Sin embargo, el brillante físico moderno Stephen Hawking tiene un punto de vista diferente. Pero esa es una historia completamente diferente...
