¿Cómo escapar de la gravedad de un Agujero Negro?

23.08.2015 a las 08:00 hs 800 0



Este es el trato: nada puede viajar más rápido que la luz. Una trampa el agujero negro todo, incluyendo la luz. Entonces, ¿cómo la gravedad escapa de un agujero negro? Es una gran pregunta, y una perfectamente razonable teniendo en cuenta la comprensión de la mayoría de la gente de la gravedad. La respuesta es que la gravedad no funciona de la forma en que probablemente se piensa que lo hace.
La forma más común de pensar en la gravedad es una fuerza entre dos masas. Por ejemplo, la Tierra ejerce una fuerza gravitacional de la Luna y la Luna se aleja de la Tierra a cambio. Este "modelo de la fuerza" de la gravedad es lo que Newton utilizó para desarrollar su ley de la gravitación universal, que se situó como la teoría definitiva de la gravedad hasta principios de 1900, y todavía se utiliza en la actualidad. Pero incorporando en este modelo de gravedad son algunas suposiciones que podemos explorar por jugar el juego "¿qué pasaría si?".

Supongamos que tenemos un universo con una sola masa. Imagínese el espacio vacío que se extiende por lo que usted tiene gusto, con una sola masa en el centro (que llamaremos Bob). ¿Sería una masa tales tienen la gravedad? Si la gravedad es una fuerza de un objeto en otro objeto, entonces la respuesta sería no. No hay otra masa de Bob para tirar adelante, así que no hay fuerza de gravedad. Si añadimos otra masa de nuestro universo (llamar a éste Alice), entonces Bob y Alice cada ejercen una fuerza sobre la otra, y existiría la gravedad. Pero la gravedad solamente existiría entre Bob y Alice, y en ningún otro lugar en nuestro universo vacío.





Tierra y la Luna con sus campos gravitatorios eficaces. Crédito: Hyperphysics

Uno de los problemas con este modelo vigente es que requiere masas para ejercer fuerzas sobre otras masas a través del espacio vacío. Esta "acción a distancia" problema fue resuelto en parte por Pierre-Simon Laplace a principios del 1800. Su idea era que una masa debe llegar a otras masas con algún tipo de energía, lo que él llamó un campo. Otras masas serían sentir este campo como una fuerza que actúa sobre ellos. Así que si volvemos a imaginar nuestra masa Bob en un universo solitario, diríamos que Bob tiene un campo gravitatorio que lo rodea, incluso si no habría otras masas en el universo. Esto elimina la necesidad de una acción a una distancia, porque cuando ponemos nuestra masa Alicia en el universo, sino que simplemente detecta cualquier campo gravitacional está en su lugar, y experimenta una fuerza. No conocemos el campo gravitatorio se debe a Bob alguna distancia, pero Alice simplemente sabe que hay un campo gravitatorio en su ubicación.

Tanto el modelo modelo de la fuerza y ​​el campo de gravedad de Newton dan las mismas predicciones, por lo experimental no hay forma real de distinguir una de la otra. Sin embargo los campos son a menudo un concepto más fácil trabajar con matemática, y los campos también se utilizan para describir las cosas como la electricidad y el magnetismo, por lo que generalmente pensamos en la gravedad newtoniana como un campo.



Si la velocidad de la gravedad era finito, sería crear ondas gravitacionales.



Pero esto plantea otra pregunta. Supongamos que en nuestro Bob y Alice universo en el que de repente cambian la posición de Bob. ¿Cuánto tiempo tomará para que Alice reconozca el cambio? En otras palabras, si cambiamos la posición de Bob, a qué velocidad tiene el cambio que se propaga a través del campo gravitacional? Cuando Laplace miró a esta idea se encontró que los cambios en un campo gravitatorio tuvieron que ocurrir instantáneamente. La "velocidad de la gravedad" tendría que ser infinita. Por ejemplo, si la gravedad viajó a la velocidad de la luz, la Tierra tendria que tratar de orbitar el punto donde el Sol se hace 8.3 minutos (el tiempo que tarda la luz en viajar desde el Sol a la Tierra). Como resultado, la órbita de la Tierra se vuelva inestable en el tiempo.

En ese momento, la idea de la gravedad que actúa a velocidad infinita no era visto como un problema. De hecho, fue utilizado como un argumento en contra de las ideas de gravedad alternativas propuestas en el momento. Pero en el año 1900 Einstein desarrolló su teoría especial de la relatividad, que (entre otras cosas) requiere que nada puede viajar más rápido que la luz. Si ese es el caso, entonces hay algo malo con nuestra teoría de la gravedad. En 1915 Einstein había desarrollado un nuevo modelo de la gravedad conocida como la relatividad general, que satisfizo modelo gravitacional tanto de Newton y la relatividad especial.


Decaimiento de una órbita púlsar en comparación con la relatividad general (línea de puntos).

Según la teoría, por ejemplo, cuando dos grandes masas, como las estrellas de neutrones orbitan entre sí, deben producir ondas gravitacionales que irradian lejos de ellos. Estas ondas gravitacionales deben viajar a la velocidad de la luz. Ha habido intentos experimentales para detectar tales ondas gravitacionales, pero no han tenido éxito hasta el momento. Tenemos, sin embargo, se encontró evidencia indirecta de las ondas gravitacionales. Mediante la observación de un pulsar binario, hemos observado su decadencia órbita ligeramente con el tiempo. Este decaimiento orbital es debido al hecho de que las ondas gravitacionales transportan energía lejos del sistema. La tasa de esta decadencia coincide con la predicción de la relatividad general a la perfección. Dado que esta tasa de descomposición depende fundamentalmente de la velocidad de las ondas gravitacionales, esto también es una confirmación indirecta de que las ondas gravitacionales se mueven a la velocidad de la luz.

Pero si la gravedad se mueve a la velocidad de la luz, no significa eso que las órbitas planetarias deberían ser inestables? En realidad no. Cuando Laplace estudió gravedad finita velocidad, consideró sólo el efecto de la velocidad de la gravedad, que es lo que lleva a su resultado, pero en la relatividad especial y general, la velocidad finita de la luz conduce a otros efectos, como la dilatación del tiempo, debido a movimiento relativo, y el aparente cambio de masa debido al movimiento relativo. Matemáticamente estos efectos surgen debido a una propiedad conocida como Poincaré invariancia. Debido a esto invariancia, el retardo de tiempo de la gravedad y la velocidad de los efectos dependientes del tiempo y la masa se cancelan, de modo que efectivamente masas son atraídas a donde una masa este. Este efecto de cancelación significa que para el movimiento orbital es como si la gravedad actúa al instante.

Pero espere un minuto, ¿cómo puede un campo gravitatorio tener una velocidad finita y actuar al instante, al mismo tiempo? Un campo gravitatorio no puede, pero en la gravedad de la relatividad general no es un campo de energía.


La naturaleza relativa de ahora.


Desde mucho antes de Newton, en general se supone que los objetos y campos de energía interactuaron en el espacio en momentos particulares. De esta forma, el espacio y el tiempo pueden ser vistos como un contexto en el que las cosas sucedan. El espacio y el tiempo eran vistos como una rejilla cósmica contra la cual se podía medir nada. En el desarrollo de la relatividad especial, Einstein encontró que el espacio y el tiempo no podría ser un fondo absoluto. En opinión de Newton, dos eventos visto que se produzca al mismo tiempo, se observa que son simultáneas para todos los observadores. Pero Einstein descubrió que la constancia de la luz requiere este concepto de "ahora" que es relativa. Diferentes observadores que se mueven a diferentes velocidades estarán de acuerdo en el orden de los acontecimientos. En lugar de un fondo, espacio y tiempo fijo es una relación entre eventos que depende de dónde y cuando el observador esta.


La distorsión del espacio y del tiempo cerca de la Tierra. Crédito: Christopher Vitale

Este principio lleva adelante en la teoría de la gravedad de Einstein. En la gravedad de la relatividad general no es un campo de energía. En cambio, la masa distorsiona las relaciones entre espacio y tiempo. Si volvemos a nuestro ejemplo anterior, si ponemos la masa Bob en un universo vacío, las relaciones de espacio y el tiempo a su alrededor están distorsionados. Cuando ponemos Alice masa cercana, la distorsión del espacio-tiempo alrededor de ella significa que se mueve hacia la masa Bob. Parece como si Alice se está tirando hacia Bob por una fuerza, pero en realidad es debido al hecho de que el espacio-tiempo se distorsiona.

Como dijo una vez el físico John Wheeler, "Espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; cuestión dice el espacio-tiempo cómo curvarse ".

Esto es cómo la gravedad puede parecer  actuar al instante mientras que las ondas gravitacionales parecen viajar a la velocidad de la luz. La gravedad no es algo que viaja a través del espacio y el tiempo. La gravedad es espacio y tiempo.

Un agujero negro es una distorsión extrema del espacio y del tiempo, debido a una masa muy densa. Tal distorsión espacio-tiempo puede evitar que la luz y la materia desde siempre escapando. Pero la distorsión espacio-tiempo es también la gravedad. No necesita para escapar del agujero negro, porque es el agujero negro.

Eso es lo que pasa con la ciencia. A veces una simple pregunta que se tire hacia una respuesta inesperada.





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