10 julio 2009

Perturbación planetaria, Ley de Newton y Teoría de la relatividad general




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Desde sus inicios la astronomía ha observado que ciertos astros ocupaban en el cielo posiciones que variaban con el tiempo. Algunos de estos astros fueron identificados como planetas (palabra griega que significa “vagabundo”) debido a su peculiar movimiento en el cielo el cual suele ser muy complejo. De hecho, a pesar de las apariencias, los planetas describen en el espacio trayectorias simples: son elipses (primera ley de Kepler). La complejidad del movimiento se debe al hecho de que observamos este movimiento desde la Tierra que también está en movimiento. La forma elíptica de las trayectorias está bien explicada por la hipótesis que los planetas están unidos al Sol por una fuerza gravitacional, según la ley de la gravitación universal formulada por Newton.

De hecho, la ley de Kepler es exacta para un planeta único orbitando alrededor de una estrella, pero no lo es completamente cuando varios planetas están presentes, cada uno perturba ligeramente el movimiento de los otros y las órbitas resultantes tienen formas un poco más complejas.

Conociendo la posición de todos los planetas en un momento dado, podemos calcular estas perturbaciones con la ley de Newton, y comparar la trayectoria calculada con el movimiento observado. Esto indica que efectivamente, la ley de la gravitación formulada por Newton contempla correctamente la fuerza que vincula los planetas al Sol.

Cuando se procuró hacer esta comparación cada vez más precisa, varios problemas aparecieron. En primer lugar, se apercibieron al principio del siglo 19 que el movimiento calculado para Urano (entonces el último planeta conocido del sistema solar), no correspondía al que fue observado. En 1845, los dos astrónomos Adams y Le Verrier tienen, por separado, la misma idea para resolver este problema. Lanzan la hipótesis que la perturbación es debida a un nuevo planeta situado más allá de Urano. Van más lejos y calculan la posición que debería ocupar este planeta para justificar las anomalías de la trayectoria de Urano. Un telescopio es apuntado hacia la posición predicha y en 1846, un nuevo planeta es descubierto: Neptuno.
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Diez años más tarde se repite la historia. En 1855, Le Verrier observa una anomalía en el movimiento de Mercurio: su perihelio (el punto de su órbita más próximo del Sol) gira alrededor del Sol demasiado rápido con relación a los cálculos. Se supone que esta anomalía también es debida a la influencia de un nuevo planeta. Verrier calcula de nuevo la posición que debería tener para dar cuenta de la anomalía de mercurio, y encuentra que su órbita debería encontrarse dentro de la de mercurio, muy cerca del Sol. Este supuesto planeta sería llamado: Vulcano. Sin embargo, a pesar de todos los esfuerzos astronómicos para observarlo en la posición predicha, nadie logró verlo. Hay que decir que es una situación experimental difícil: se trata de observar un planeta que se supone está situado muy cerca del Sol.

Varias explicaciones fueron propuestas, la presencia de gas, de asteroides, pero habría que esperar hasta 1915 para que la solución, radical, fuera encontrada: No hay ningún nuevo planeta, y como lo demostró Einstein en aquel año, la anomalía viene por el hecho que se utilizó la mecánica newtoniana para calcular el movimiento de Mercurio, mientras que la gravitación debe acudir a otra teoría, la recien creada Teoría de la relatividad general.

La teoría de la relatividad general ha sido confirmada en numerosas formas desde su aparición. Por ejemplo, la teoría predice que la línea del universo de un rayo de luz se curva en las proximidades de un objeto masivo como el Sol. La primera comprobación empírica de la teoría de la relatividad fue a este respecto.

La teoría de la relatividad general fue comprobada por primera vez en la observación de un eclipse total de Sol en 1919, realizada por Sir Arthur Eddington, en la que se ponía de manifiesto que la luz proveniente de estrellas lejanas se curvaba al pasar cerca del campo gravitatorio solar, alterando la posición aparente de las estrellas cercanas al disco del Sol. Desde entonces muchos otros experimentos y aplicaciones han demostrado las predicciones de la relatividad general.
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Juan Carlos Jiménez




1 comentarios:

xaterri dijo...

Desde Galileo-Newton, e incluso hoy en día, se suele usar la "ingenua" expresión 'movimiento aparente del sol'. Se recurre con frecuencia a la dicotomía 'movimiento verdadero-movimiento aparente', o equivalentemente, 'sistema inercial-sistema no inercial'. Para Newton un movimiento verdadero sería aquel que tiene lugar con respecto al "espacio absoluto", y sus sistemas inerciales son, ante todo, unos sistemas que permanecen en reposo (o en movimiento rectilíneo uniforme) con respecto a ese "espacio absoluto". Por tanto, para Newton sería verdad, si tan sólo consideramos el sistema sol-tierra, que el movimiento del sol es aparente: debido a su enorme masa comparada con la de la tierra, sería el sol el que permanece en "reposo verdadero" con respecto al "espacio absoluto", mientras que la tierra presentaría un "movimiento verdadero" a su alrededor (con más exactitud, dado un conjunto de cuerpos lo que en realidad tendría derecho a considerarse en reposo o inercial sería, según Newton, el centro de masas de tal conjunto).

Pero en 1905 Einstein eliminó, aunque por lo visto no consiguió la plenitud de tan loable objetivo, el espacio absoluto de Newton. Por tanto, en la actualidad ya no tiene (o no debería tener) el menor sentido hablar de referencias absolutas o inerciales con respecto a las cuales se observaran los "movimientos verdaderos", mientras que en las restantes referencias tan sólo se observarían "movimientos aparentes". Ningún movimiento es absoluto o verdadero en sí, sino relativo al cuerpo de referencia que por libre elección se decida considerarse en reposo. El movimiento es absolutamente relativo, y cualquier cuerpo, sin excepción alguna, tiene el libre derecho a autodefinirse en reposo (la velocidad de cualquier cuerpo con respecto a sí mismo es nula) y considerar que son los restantes astros del universo los que se mueven con relación a él. Hace falta, pues, refutar el principio de inercia clásico y sustituirlo por un nuevo "principio de inercia generalizado", que permita que incluso los cuerpos libres puedan estar acelerados (la aceleración de un cuerpo con respecto a otro se obtiene a través de la métrica del espacio-tiempo, que es una métrica de naturaleza relacional: es relativa a ambos cuerpos. Así, dado un sistema de referencia cualquiera, algunos cuerpos libres tendrán movimientos rectilíneos uniformes con respecto a él, pero los restantes cuerpos libres podrán estar acelerados de cualquier modo, todo ello en función de cómo sea la métrica relacional entre cada cuerpo particular y dicho sistema de referencia). Algo se mueve…

El conjunto de ecuaciones que arriba le citaba permiten, por fin, instaurar la absoluta relatividad del movimiento. Además suponen la única alternativa posible a la relatividad general de Einstein que generaliza la relatividad especial (la velocidad local de la luz en el vacío es siempre "c") para hacerla compatible con la gravedad y con las aceleraciones relativas.

Las he presentado al público a través de un libro (el "tractatus", que puede encontrarse en bubok.com) que consta de dos partes diferenciadas. En la primera prescindo de cualquier fórmula matemática. Hay también un extracto de la segunda parte que pueden someter a su buen juicio, siempre que renuncien a toda suerte de prejuicios en:http://www.bubok.es/libro/detalles/6346/Extracto-de-la-Teoria-Conectada así como en http://xaterri.bubok.com/)

Yo creo…

Xavier Terri Castañé.

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