Astronomía

¿Cuál es la relación entre la teoría gravitacional de Einstein y la materia oscura?

¿Cuál es la relación entre la teoría gravitacional de Einstein y la materia oscura?

Estaba leyendo un libro elemental sobre materia oscura (de hecho, una perspectiva histórica) y se mencionó cómo reacciona la comunidad científica a la idea de materia oscura propuesta como una solución a la discrepancia observada entre la masa real de los sistemas astronómicos y la masa predicha. de la teoría de Newton. Me preguntaba dónde se encuentra la teoría de Einstein en relación con la materia oscura, ¿la predijo de alguna manera, o la materia oscura prueba lo incompleto de la teoría de Einstein? ¿Y la energía oscura?


La materia oscura se planteó originalmente la hipótesis porque hay un mayor grado de energía de rotación en las galaxias de lo que permitiría la materia visible; crudamente, giran tan rápido que deberían separarse y, por lo tanto, se planteó la hipótesis de que hay una fuente adicional de fuerza gravitacional en algunos forma de materia invisible.

Esto no es el resultado de una discrepancia en la relatividad general de Einstein. La gravitación newtoniana es una muy buena aproximación del GR de Einstein en la mayoría de las escalas y energías ordinarias y esto también es cierto en este caso.

No estoy seguro, exactamente, de lo que significa tu pregunta de "¿qué pasa con la energía oscura?", Pero suponiendo que te refieres a si esto implica un estado incompleto en GR, entonces nuevamente la respuesta es no, o al menos no necesariamente, pero es un punto más sutil. .

La energía oscura es la supuesta fuente de energía que hace que el universo se expanda a un ritmo acelerado. Se puede insertar como un término en las ecuaciones de campo de GR (aunque existen otras explicaciones de ED), pero eso es solo un término matemático, en lugar de una explicación de la fisicalidad de la misma.

Einstein originalmente insertó ese término en sus soluciones, para predecir un universo esencialmente estático. Cuando se demostró que el universo se estaba expandiendo, describió esto como su "mayor error".

La evidencia de la acelerada tasa de expansión es relativamente reciente y se produjo mucho después de la muerte de Einstein, por lo que nunca vivió para ver la idea esencial, de una "constante cosmológica" en sus ecuaciones, revivida.

Esto explica más: https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_constant


La nueva teoría de la gravedad podría explicar la materia oscura

Una nueva teoría de la gravedad podría explicar los curiosos movimientos de las estrellas en las galaxias. La gravedad emergente, como se llama la nueva teoría, predice exactamente la misma desviación de movimientos que generalmente se explica al invocar la materia oscura. El profesor Erik Verlinde, reconocido experto en teoría de cuerdas en la Universidad de Amsterdam y el Instituto Delta de Física Teórica, publicó hoy un nuevo artículo de investigación en el que amplía sus puntos de vista innovadores sobre la naturaleza de la gravedad.

En 2010, Erik Verlinde sorprendió al mundo con una teoría de la gravedad completamente nueva. Según Verlinde, la gravedad no es una fuerza fundamental de la naturaleza, sino un fenómeno emergente. De la misma manera que la temperatura surge del movimiento de partículas microscópicas, la gravedad emerge de los cambios de bits fundamentales de información, almacenados en la estructura misma del espacio-tiempo.

Ley de Newton a partir de la información

En su artículo de 2010 (Sobre el origen de la gravedad y las leyes de Newton), Verlinde mostró cómo la famosa segunda ley de Newton, que describe cómo las manzanas caen de los árboles y los satélites permanecen en órbita, puede derivarse de estos bloques de construcción microscópicos subyacentes. Ampliando su trabajo anterior y el trabajo realizado por otros, Verlinde ahora muestra cómo comprender el curioso comportamiento de las estrellas en las galaxias sin agregar la desconcertante materia oscura.

Las regiones exteriores de las galaxias, como nuestra propia Vía Láctea, giran mucho más rápido alrededor del centro de lo que puede explicarse por la cantidad de materia ordinaria como estrellas, planetas y gases interestelares. Algo más tiene que producir la cantidad requerida de fuerza gravitacional, por lo que los físicos propusieron la existencia de materia oscura. La materia oscura parece dominar nuestro universo y comprende más del 80 por ciento de toda la materia. Hasta ahora, las supuestas partículas de materia oscura nunca se han observado, a pesar de muchos esfuerzos para detectarlas.

Sin necesidad de materia oscura

Según Erik Verlinde, no es necesario agregar una misteriosa partícula de materia oscura a la teoría. En un nuevo artículo, que apareció hoy en el servidor de preimpresión ArXiv, Verlinde muestra cómo su teoría de la gravedad predice con precisión las velocidades por las que las estrellas giran alrededor del centro de la Vía Láctea, así como el movimiento de las estrellas dentro de otras galaxias.

"Tenemos evidencia de que esta nueva visión de la gravedad en realidad concuerda con las observaciones", dice Verlinde. "A gran escala, parece, la gravedad simplemente no se comporta como predice la teoría de Einstein".

A primera vista, la teoría de Verlinde presenta características similares a las teorías modificadas de la gravedad como MOND (dinámica newtoniana modificada, Mordehai Milgrom (1983)). Sin embargo, donde MOND ajusta la teoría para que coincida con las observaciones, la teoría de Verlinde comienza desde los primeros principios. "Un punto de partida totalmente diferente", según Verlinde.

Adaptando el principio holográfico

Uno de los ingredientes de la teoría de Verlinde es una adaptación del principio holográfico, presentado por su tutor Gerard 't Hooft (Premio Nobel 1999, Universidad de Utrecht) y Leonard Susskind (Universidad de Stanford). Según el principio holográfico, toda la información del universo entero se puede describir en una esfera imaginaria gigante a su alrededor. Verlinde muestra ahora que esta idea no es del todo correcta: parte de la información de nuestro universo está contenida en el espacio mismo.

Esta información adicional es necesaria para describir ese otro componente oscuro del universo: la energía oscura, que se cree que es responsable de la expansión acelerada del universo. Al investigar los efectos de esta información adicional sobre la materia ordinaria, Verlinde llega a una conclusión sorprendente. Mientras que la gravedad ordinaria se puede codificar utilizando la información de la esfera imaginaria alrededor del universo, como mostró en su trabajo de 2010, el resultado de la información adicional en la mayor parte del espacio es una fuerza que coincide muy bien con la atribuida a la materia oscura.

Al borde de una revolución científica

La gravedad necesita urgentemente nuevos enfoques como el de Verlinde, ya que no combina bien con la física cuántica. Ambas teorías, joyas de la corona de la física del siglo XX, no pueden ser ciertas al mismo tiempo. Los problemas surgen en condiciones extremas: cerca de los agujeros negros o durante el Big Bang. Verlinde dice: "Muchos físicos teóricos como yo estamos trabajando en una revisión de la teoría y se han logrado algunos avances importantes. Podríamos estar al borde de una nueva revolución científica que cambiará radicalmente nuestras opiniones sobre la naturaleza misma del espacio. , tiempo y gravedad ".


Una cola magnética alrededor de Marte haría que el planeta se terraformara a sí mismo

Desde que tenemos la tecnología, hemos mirado a las estrellas en busca de vida extraterrestre. Se supone que estamos buscando porque queremos encontrar otra vida en el universo, pero ¿qué pasa si estamos buscando para asegurarnos de que no haya ninguna?

Aquí hay una ecuación, y una bastante angustiosa en eso: norte = R* × FPAG × nortemi × F1 × FI × FC × L. Es la ecuación de Drake y describe la cantidad de civilizaciones alienígenas en nuestra galaxia con las que podríamos comunicarnos. Sus términos corresponden a valores como la fracción de estrellas con planetas, la fracción de planetas en los que podría surgir vida, la fracción de planetas que pueden albergar vida inteligente, etc. Utilizando estimaciones conservadoras, el resultado mínimo de esta ecuación es 20. Debería haber 20 civilizaciones extraterrestres inteligentes en la Vía Láctea con las que podamos contactar y que nos contacten. Pero no hay ninguno.

La ecuación de Drake es un ejemplo de un problema más amplio en la comunidad científica: considerando el tamaño del universo y nuestro conocimiento de que la vida inteligente ha evolucionado al menos una vez, debería haber evidencia de vida extraterrestre. Esto se conoce generalmente como la paradoja de Fermi, en honor al físico Enrico Fermi, quien examinó por primera vez la contradicción entre la alta probabilidad de civilizaciones extraterrestres y su aparente ausencia. Fermi resumió esto de manera bastante sucinta cuando preguntó: "¿Dónde están todos"?

Pero tal vez esta fuera la pregunta equivocada. Una pregunta mejor, aunque más preocupante, podría ser "¿Qué les pasó a todos?" dónde la vida existe en el universo, hay una respuesta potencial más clara a esta pregunta: el Gran Filtro.


A menudo, la gente se confunde con la complicación adicional de que la gravedad newtoniana y einsteiniana a menudo se discuten en diferentes formalismos matemáticos. Esto puede tender a ocultar las diferencias físicas. Si le gustan las matemáticas, entonces Misner, Thorne y Wheeler (compruébelo en una biblioteca o consígalo de segunda mano a menos que se lo tome en serio) tiene un capítulo maravilloso que pone ambas teorías una al lado de la otra en el mismo idioma ( geometría diferencial). La diferencia clave es que la gravedad newtoniana tiene una separación privilegiada del espacio-tiempo en espacio y tiempo, mientras que la gravedad de Einstein solo tiene espacio-tiempo.

Editar: para ser absolutamente claro, La gravedad newtoniana se puede escribir como curvatura del espacio-tiempo! Esto es contrario a las afirmaciones comunes sobre lo novedoso en GR. La diferencia clave es que la gravedad newtoniana tiene estructuras absolutas adicionales que GR no tiene: tiempo y espacio absolutos, una separación preferida del espacio-tiempo en tiempo y partes espaciales, simultaneidad absoluta y una conexión curva que no es la especial derivada de una métrica espaciotemporal (Christoffel).

con algunas otras relaciones que no he escrito (consulte el capítulo 12 de MTW para obtener más detalles).

Una consecuencia del formalismo es que la ecuación newtoniana es una ecuación de restricción; no describe un grado de libertad que se propaga. No hay ondas gravitacionales, gravitones, etc. No hay límite de velocidad de la luz para la gravedad. Toda la materia tiene un efecto gravitacional instantáneo sobre todas las demás materias. Esto es diferente en GR ya que la ecuación de campo es una ecuación de onda que describe la propagación de perturbaciones gravitacionales de un punto a otro a la velocidad de la luz.

Lo que GR tiene que Newton no es una métrica del espacio-tiempo de firma de Lorentz. Esta métrica tiene un papel privilegiado ya que todas las demás estructuras (conexiones, curvaturas, etc.) se derivan de ella. Esencialmente, no hay nada más en la gravedad de Einstein. Por eso es tan elegante en el formalismo geométrico. Esta métrica en realidad proviene de la relatividad especial. Pero la métrica era una estructura fija en SR, casi similar al tiempo y espacio absolutos de Newton (no le digas a nadie que dije esto). Lo nuevo en la relatividad general es que Einstein permite que la métrica "se mueva", por así decirlo, para cambiar de un lugar a otro y de vez en cuando en respuesta a lo que está haciendo la materia.


En realidad, el artículo presenta una formulación matemática más formal de los postulados. La redacción de los postulados es ligeramente diferente de la de un libro de texto a un libro de texto debido a problemas de traducción, desde el alemán matemático hasta el inglés comprensible.

El segundo postulado a menudo se escribe erróneamente para incluir que la velocidad de la luz en el vacío es C en todos los marcos de referencia. En realidad, esto es un resultado derivado de los dos postulados, más que parte del segundo postulado en sí.

El primer postulado es de sentido común. El segundo postulado, sin embargo, fue la revolución. Einstein ya había introducido la teoría fotónica de la luz en su artículo sobre el efecto fotoeléctrico (que hacía innecesario el éter). El segundo postulado, por lo tanto, fue una consecuencia de los fotones sin masa que se mueven a la velocidad C en un aspirador. El éter ya no tenía un papel especial como marco de referencia inercial "absoluto", por lo que no sólo era innecesario sino cualitativamente inútil bajo la relatividad especial.

En cuanto al artículo en sí, el objetivo era reconciliar las ecuaciones de Maxwell para la electricidad y el magnetismo con el movimiento de los electrones cerca de la velocidad de la luz. El resultado del artículo de Einstein fue introducir nuevas transformaciones de coordenadas, llamadas transformaciones de Lorentz, entre marcos de referencia inerciales. A velocidades lentas, estas transformaciones eran esencialmente idénticas al modelo clásico, pero a velocidades altas, cercanas a la velocidad de la luz, producían resultados radicalmente diferentes.


¿Qué es la relatividad? Explicación de la alucinante teoría de Einstein & # x27

Cuando apareció la teoría de la relatividad a principios del siglo XX, cambió siglos de ciencia y dio a los físicos una nueva comprensión del espacio y el tiempo. Isaac Newton vio el espacio y el tiempo como fijos, pero en la nueva imagen proporcionada por la relatividad especial y la relatividad general eran fluidos y maleables.

¿A quién se le ocurrió la teoría de la relatividad?

Albert Einstein. Publicó la primera parte de su teoría, la relatividad especial, en la revista alemana de física. Annalen der Physik en 1905 y completó su teoría de la relatividad general sólo después de otra década de trabajo difícil. Presentó esta última teoría en una serie de conferencias en Berlín a fines de 1915 y la publicó en el Annalen en 1916.

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¿Qué es la relatividad especial?

La teoría se basa en dos conceptos clave.

  • Primero, el mundo natural no permite marcos de referencia "privilegiados". Mientras un objeto se mueva en línea recta a una velocidad constante (es decir, sin aceleración), las leyes de la física son las mismas para todos. Es un poco como cuando miras por la ventana de un tren y ves que un tren adyacente parece moverse, pero es eso moviéndose, o están usted? Puede ser difícil saberlo. Einstein reconoció que si el movimiento es perfectamente uniforme, es literalmente imposible de decir, e identificó esto como un principio central de la física.
  • En segundo lugar, la luz viaja a una velocidad invariable de 300.000 kilómetros por segundo. No importa qué tan rápido se mueva un observador o qué tan rápido se mueva un objeto emisor de luz, una medición de la velocidad de la luz siempre arroja el mismo resultado.

A partir de estos dos postulados, Einstein demostró que el espacio y el tiempo están entrelazados de formas que los científicos nunca antes se habían dado cuenta. A través de una serie de experimentos mentales, Einstein demostró que las consecuencias de la relatividad especial a menudo son contradictorias, incluso sorprendentes.

Si avanza en un cohete y se cruza con un amigo en un cohete idéntico pero de movimiento más lento, por ejemplo, verá que el reloj de su amigo avanza más lentamente que el suyo (los físicos llaman a esto "dilatación del tiempo").

Es más, el cohete de tu amigo parecerá más corto que el tuyo. Si su cohete se acelera, su masa y la del cohete aumentarán. Cuanto más rápido vayas, más pesadas se volverán las cosas y más resistirá tu cohete tus esfuerzos para hacerlo ir más rápido. Einstein demostró que nada que tenga masa puede alcanzar la velocidad de la luz.

Otra consecuencia de la relatividad especial es que la materia y la energía son intercambiables a través de la famosa ecuación E = mc² (en la que E representa energía, m masa y c² la velocidad de la luz multiplicada por sí misma). Debido a que la velocidad de la luz es un número tan grande, incluso una pequeña cantidad de masa es equivalente a, y puede convertirse en, una gran cantidad de energía. Por eso las bombas atómicas y de hidrógeno son tan poderosas.

¿Qué es la relatividad general?

Esencialmente, es una teoría de la gravedad. La idea básica es que en lugar de ser una fuerza invisible que atrae objetos entre sí, la gravedad es una curva o deformación del espacio. Cuanto más masivo es un objeto, más deforma el espacio que lo rodea.

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Por ejemplo, el sol es lo suficientemente masivo como para deformar el espacio en nuestro sistema solar, un poco como la forma en que una bola pesada que descansa sobre una lámina de goma deforma la lámina. Como resultado, la Tierra y los otros planetas se mueven en trayectorias curvas (órbitas) a su alrededor.

Esta deformación también afecta las mediciones del tiempo. Tendemos a pensar que el tiempo pasa a un ritmo constante. Pero así como la gravedad puede estirar o deformar el espacio, también puede dilatar el tiempo. Si tu amigo sube a la cima de una montaña, verás que su reloj avanza más rápido en comparación con el tuyo, otro amigo, en el fondo de un valle, tendrá un reloj que avanza más lento, debido a la diferencia en la fuerza de la gravedad en cada lugar. Experimentos posteriores demostraron que esto realmente sucede.

¿Cómo se ve la relatividad 'bajo el capó'?

La relatividad especial es, en última instancia, un conjunto de ecuaciones que relacionan cómo se ven las cosas en un marco de referencia con cómo se ven en otro: el estiramiento del tiempo y el espacio y el aumento de masa. Las ecuaciones no involucran nada más complicado que las matemáticas de la escuela secundaria.

La relatividad general es más complicada. Sus "ecuaciones de campo" describen la relación entre la masa y la curvatura del espacio y la dilatación del tiempo, y normalmente se enseñan en cursos universitarios de física de nivel de posgrado.

Pruebas de relatividad especial y general.

Durante el último siglo, muchos experimentos han confirmado la validez de la relatividad general y especial. En la primera prueba importante de la relatividad general, los astrónomos midieron en 1919 la desviación de la luz de las estrellas distantes a medida que la luz de las estrellas pasaba por nuestro sol, lo que demuestra que la gravedad, de hecho, distorsiona o curva el espacio.

En 1971, los científicos probaron ambas partes de la teoría de Einstein colocando relojes atómicos sincronizados con precisión en aviones y haciéndolos volar por todo el mundo. Una revisión de los relojes después de que aterrizaron los aviones mostró que los relojes a bordo de los aviones operaban un poco más lento que (menos de una millonésima de segundo) que los relojes en tierra.

La disparidad resultó de la velocidad de los aviones (un efecto de relatividad especial) y su mayor distancia del centro del campo gravitacional de la Tierra (un efecto de relatividad general).

En 2016, el descubrimiento de ondas gravitacionales, ondas sutiles en el tejido del espacio-tiempo, fue otra confirmación de la relatividad general.

Relatividad en la práctica

Si bien las ideas detrás de la relatividad parecen esotéricas, la teoría ha tenido un gran impacto en el mundo moderno.

Las plantas de energía nuclear y las armas nucleares, por ejemplo, serían imposibles sin el conocimiento de que la materia puede transformarse en energía. Y nuestra red de satélites GPS (sistema de posicionamiento global) debe tener en cuenta los efectos sutiles de la relatividad general y especial, si no lo hicieran, darían resultados que estaban a varios kilómetros de distancia.


La teoría gravitacional de Einstein tiene razón: un siglo después

Los científicos han detectado por primera vez ondas gravitacionales, ondas en el espacio y el tiempo que planteó Albert Einstein hace un siglo, en un descubrimiento histórico anunciado el jueves que abre una nueva ventana para estudiar el cosmos.

Los investigadores dijeron que detectaron ondas gravitacionales provenientes de dos agujeros negros distantes, objetos extraordinariamente densos cuya existencia también fue prevista por Einstein, que se orbitaban entre sí, giraban en espiral hacia adentro y se estrellaban juntos. Dijeron que las ondas eran el producto de una colisión entre dos agujeros negros de aproximadamente 30 veces la masa del Sol, ubicados a 1.300 millones de años luz de la Tierra.

“Señoras y señores, hemos detectado ondas gravitacionales. Lo hicimos ”, dijo el físico del Instituto de Tecnología de California David Reitze, provocando aplausos en una conferencia de prensa abarrotada en Washington.

"Ha sido un camino muy largo, pero esto es solo el comienzo", dijo la física de la Universidad Estatal de Luisiana Gabriela González en la conferencia de prensa, promocionando la apertura de una nueva era en astronomía.

El hito científico se logró utilizando un par de detectores láser gigantes en los Estados Unidos, ubicados en los estados de Luisiana y Washington, culminando una búsqueda de décadas para encontrar estas ondas.

“Los agujeros negros en colisión que produjeron estas ondas gravitacionales crearon una violenta tormenta en el tejido del espacio y el tiempo, una tormenta en la que el tiempo se aceleró, se desaceleró y se aceleró nuevamente, una tormenta en la que la forma del espacio se curvó en de esta manera y de esa manera ”, dijo el físico de Caltech Kip Thorne.

Los dos instrumentos láser, que funcionan al unísono, se conocen como Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO). Fueron capaces de detectar vibraciones notablemente pequeñas al pasar ondas gravitacionales. Después de detectar la señal de la onda gravitacional, los científicos dijeron que la convirtieron en ondas de audio y pudieron escuchar los sonidos de los dos agujeros negros fusionándose.

"De hecho, los estamos escuchando golpear en la noche", dijo el físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Matthew Evans. "Estamos recibiendo una señal que llega a la Tierra, y podemos ponerla en un altavoz, y podemos escuchar estos agujeros negros decir, '¡Vaya!'. Hay una conexión muy visceral con esta observación".

Los científicos dijeron que detectaron por primera vez las ondas gravitacionales el 14 de septiembre pasado.

"Realmente estamos presenciando la apertura de una nueva herramienta para hacer astronomía", dijo el astrofísico del MIT Nergis Mavalvala en una entrevista. “Hemos activado un nuevo sentido. Hemos podido ver y ahora también podremos oír ”.

En 1916, Einstein propuso la existencia de ondas gravitacionales como consecuencia de su revolucionaria teoría general de la relatividad, que describía la gravedad como una distorsión del espacio y el tiempo provocada por la presencia de materia. Pero hasta ahora, los científicos solo habían encontrado evidencia indirecta de su existencia.

Los científicos dijeron que las ondas gravitacionales abren una puerta a una nueva forma de observar el universo y obtener conocimiento sobre objetos enigmáticos como los agujeros negros y las estrellas de neutrones. Al estudiar las ondas gravitacionales, también esperan obtener información sobre la naturaleza del universo primitivo, que sigue siendo un misterio.

Todo lo que sabemos sobre el cosmos proviene de ondas electromagnéticas como ondas de radio, luz visible, luz infrarroja, rayos X y rayos gamma. Pero debido a que tales ondas encuentran interferencias a medida que viajan por el universo, solo pueden contar una parte de la historia.

Las ondas gravitacionales no experimentan tales barreras, lo que significa que pueden ofrecer una gran cantidad de información adicional. Los agujeros negros, por ejemplo, no emiten luz, ondas de radio y similares, pero pueden estudiarse mediante ondas gravitacionales.

Los científicos dijeron que debido a que las ondas gravitacionales son tan radicalmente diferentes de las ondas electromagnéticas, esperan que revelen grandes sorpresas sobre el universo.

Los científicos sonaban positivamente mareados por el descubrimiento.

“Este es el santo grial de la ciencia”, dijo Carlos Lousto, astrofísico del Instituto de Tecnología de Rochester. "La última vez que sucedió algo así fue en 1888 cuando Heinrich Hertz detectó las ondas de radio que habían sido predichas por las ecuaciones de campo del electromagnetismo de James Clerk Maxwell en 1865", agregó el físico de la Universidad de Durham Tom McLeish.

"Es realmente un evento verdaderamente emocionante", dijo Abhay Ashtekar, director del Instituto de Gravitación y Cosmos de la Penn State University. "Abre una nueva ventana al universo".

Ashtekar dijo que los objetos celestes pesados ​​doblan el espacio y el tiempo, pero debido a la relativa debilidad de la fuerza gravitacional, el efecto es minúsculo, excepto en cuerpos masivos y densos como agujeros negros y estrellas de neutrones. Dijo que cuando estos objetos chocan, envían ondas en la curvatura del espacio y el tiempo que se propagan como ondas gravitacionales.

Un agujero negro, una región del espacio tan llena de materia que ni siquiera los fotones de luz pueden escapar de la fuerza de la gravedad, se detectó por primera vez en 1971.

Las estrellas de neutrones son pequeñas, del tamaño de una ciudad, pero extremadamente pesadas, los restos compactos de una estrella más grande que murió en una explosión de supernova.


Buscando a Vulcano

Las observaciones confusas tienen una forma de llevar a los astrónomos a explicaciones desesperadas. La tarde del 26 de marzo de 1859, Edmond Lescarbault, un joven médico y astrónomo aficionado de Orgères-en-Beauce, un pequeño pueblo al sur de París, tuvo un descanso entre pacientes. Corrió a un pequeño observatorio casero en el techo de su granero de piedra. Con la ayuda de su telescopio, vio un objeto redondo desconocido que se movía a través de la faz del sol.

Rápidamente envió noticias de este descubrimiento a Urbain Le Verrier, el astrónomo más importante del mundo en ese momento. Le Verrier había estado tratando de explicar una rareza en el movimiento del planeta Mercurio. Todos los demás planetas orbitan alrededor del Sol en perfecto acuerdo con las leyes de movimiento y gravitación de Isaac Newton, pero Mercurio parecía avanzar una pequeña cantidad con cada órbita, un fenómeno conocido como precesión del perihelio. Le Verrier estaba seguro de que tenía que haber un planeta "oscuro" invisible tirando de Mercurio. La observación de Lescarbault de una mancha oscura en tránsito por el sol pareció mostrar que el planeta, al que Le Verrier llamó Vulcano, era real.

No era. Los avistamientos de Lescarbault nunca se confirmaron, y la precesión del perihelio de Mercurio siguió siendo un enigma durante casi seis décadas más. Luego, Einstein desarrolló su teoría de la relatividad general, que predijo directamente que Mercurio debería comportarse como lo hace.

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Un mapa del sistema solar de 1846 muestra la supuesta órbita de Vulcano, un planeta hipotético que fue invocado para explicar una característica desconcertante de la órbita de Mercurio.

En el impulso de Le Verrier de explicar observaciones desconcertantes mediante la introducción de un objeto oculto hasta ahora, algunos investigadores de hoy en día ven paralelismos con la historia de la materia oscura y la energía oscura. Durante décadas, los astrónomos han notado que el comportamiento de las galaxias y los cúmulos de galaxias no parece ajustarse a las predicciones de la relatividad general. La materia oscura es una forma de explicar ese comportamiento. Del mismo modo, se puede pensar que la expansión acelerada del universo está impulsada por una energía oscura.

Sin embargo, todos los intentos de detectar directamente la materia oscura y la energía oscura han fracasado. Ese hecho "deja un poco de mal sabor de boca a algunas personas, casi como el planeta ficticio Vulcano", dijo Leo Stein, físico teórico del Instituto de Tecnología de California. "¿Quizás lo estamos haciendo todo mal?"

Para que cualquier teoría alternativa de la gravedad funcione, no solo debe eliminar la materia oscura y la energía oscura, sino también reproducir las predicciones de la relatividad general en todos los contextos estándar. “El negocio de las teorías de la gravedad alternativa es complicado”, dijo Archibald. Algunos posibles reemplazos de la relatividad general, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, no ofrecen predicciones comprobables. Otros "hacen predicciones que son espectacularmente erróneas, por lo que los teóricos tienen que idear algún tipo de mecanismo de detección para ocultar la predicción incorrecta en escalas que realmente podamos probar", dijo.

Las teorías de la gravedad alternativa más conocidas se conocen como dinámica newtoniana modificada, comúnmente abreviada como MOND. Las teorías de tipo MOND intentan acabar con la materia oscura modificando nuestra definición de gravedad. Los astrónomos han observado durante mucho tiempo que la fuerza gravitacional debida a la materia ordinaria no parece ser suficiente para mantener las estrellas en movimiento rápido dentro de sus galaxias. Se supone que la atracción gravitacional de la materia oscura compensa la diferencia. Pero según MOND, hay simplemente dos tipos de gravedad. En las regiones donde la fuerza de la gravedad es fuerte, los cuerpos obedecen a la ley de la gravedad de Newton, que establece que la fuerza gravitacional entre dos objetos disminuye en proporción al cuadrado de la distancia que los separa. Pero en entornos de gravedad extremadamente débil, como las partes externas de una galaxia, MOND sugiere que está en juego otro tipo de gravedad. Esta gravedad disminuye más lentamente con la distancia, lo que significa que no se debilita tanto. “La idea es hacer que la gravedad sea más fuerte cuando debería ser más débil, como en las afueras de una galaxia”, dijo Zumalacárregui.

Luego está TeVeS (tensor-vector-escalar), el primo relativista de MOND. Mientras que MOND es una modificación de la gravedad newtoniana, TeVeS es un intento de tomar la idea general de MOND y convertirla en una teoría matemática completa que pueda aplicarse al universo en su conjunto, no solo a objetos relativamente pequeños como sistemas solares y galaxias. . También explica las curvas de rotación de las galaxias haciendo que la gravedad sea más fuerte en sus alrededores. Pero TeVeS lo hace aumentando la gravedad con campos "escalares" y "vectoriales" que "esencialmente amplifican la gravedad", dijo Fabian Schmidt, cosmólogo del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Alemania. Un campo escalar es como la temperatura en toda la atmósfera: en cada punto tiene un valor numérico pero no una dirección. Un campo vectorial, por el contrario, es como el viento: tiene un valor (la velocidad del viento) y una dirección.

También existen las llamadas teorías de Galileon, que forman parte de una clase de teorías llamadas Horndeski y más allá de Horndeski, que intentan deshacerse de la energía oscura. Estas modificaciones de la relatividad general también introducen un campo escalar. Hay muchas de estas teorías (la teoría de Brans-Dicke, las teorías de dilaton, las teorías del camaleón y la quintaesencia son solo algunas de ellas), y sus predicciones varían enormemente entre los modelos. Pero todos cambian la expansión del universo y modifican la fuerza de la gravedad. La teoría de Horndeski fue presentada por primera vez por Gregory Horndeski en 1974, pero la comunidad física en general se dio cuenta de ella solo alrededor de 2010. Para entonces, Zumalacárregui dijo: "Gregory Horndeski [había] dejado la ciencia y [convertido] en pintor en Nuevo México".

También hay teorías independientes, como la del físico Erik Verlinde. Según su teoría, las leyes de la gravedad surgen naturalmente de las leyes de la termodinámica, al igual que "la forma en que las ondas emergen de las moléculas de agua en el océano", dijo Zumalacárregui. Verlinde escribió en un correo electrónico que sus ideas no son una "teoría alternativa" de la gravedad, sino "la próxima teoría de la gravedad que contiene y trasciende la relatividad general de Einstein". Pero todavía está desarrollando sus ideas. "Mi impresión es que la teoría aún no está lo suficientemente elaborada para permitir el tipo de pruebas de precisión que llevamos a cabo", dijo Archibald. Se basa en "palabras elegantes", dijo Zumalacárregui, "pero no hay un marco matemático para calcular predicciones y hacer pruebas sólidas".

Las predicciones hechas por otras teorías difieren de alguna manera de las de la relatividad general. Sin embargo, estas diferencias pueden ser sutiles, lo que las hace increíblemente difíciles de encontrar.

Considere la fusión de estrellas de neutrones. Al mismo tiempo que el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) detectó las ondas gravitacionales que emanaban del evento, el satélite Fermi con base en el espacio detectó un estallido de rayos gamma desde la misma ubicación. Las dos señales habían viajado a través del universo durante 130 millones de años antes de llegar a la Tierra con solo 1,7 segundos de diferencia.

Estas observaciones casi simultáneas “asesinaron brutal y despiadadamente” las teorías de TeVeS, dijo Paulo Freire, astrofísico del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, Alemania. “Gravity and gravitational waves propagate at the speed of light, with extremely high precision — which is not at all what was predicted by those [alternative] theories.”

The same fate overtook some Galileon theories that add an extra scalar field to explain the universe’s accelerated expansion. These also predict that gravitational waves propagate more slowly than light. The neutron-star merger killed those off too, Schmidt said.

Further limits come from new pulsar systems. In 2013, Archibald and her colleagues found an unusual triple system: a pulsar and a white dwarf that orbit one another, with a second white dwarf orbiting the pair. These three objects exist in a space smaller than Earth’s orbit around the sun. The tight setting, Archibald said, offers ideal conditions for testing a crucial aspect of general relativity called the strong equivalence principle, which states that very dense strong-gravity objects such as neutron stars or black holes “fall” in the same way when placed in a gravitational field. (On Earth, the more familiar weak equivalence principle states that, if we ignore air resistance, a feather and a brick will fall at the same rate.)


Contenido

The thermodynamic description of gravity has a history that goes back at least to research on black hole thermodynamics by Bekenstein and Hawking in the mid-1970s. These studies suggest a deep connection between gravity and thermodynamics, which describes the behavior of heat. In 1995, Jacobson demonstrated that the Einstein field equations describing relativistic gravitation can be derived by combining general thermodynamic considerations with the equivalence principle. [1] Subsequently, other physicists, most notably Thanu Padmanabhan, began to explore links between gravity and entropy. [2] [3]

In 2009, Erik Verlinde proposed a conceptual model that describes gravity as an entropic force. [4] He argues (similar to Jacobson's result) that gravity is a consequence of the "information associated with the positions of material bodies". [5] This model combines the thermodynamic approach to gravity with Gerard 't Hooft's holographic principle. It implies that gravity is not a fundamental interaction, but an emergent phenomenon which arises from the statistical behavior of microscopic degrees of freedom encoded on a holographic screen. The paper drew a variety of responses from the scientific community. Andrew Strominger, a string theorist at Harvard said "Some people have said it can't be right, others that it's right and we already knew it – that it’s right and profound, right and trivial." [6]

In July 2011, Verlinde presented the further development of his ideas in a contribution to the Strings 2011 conference, including an explanation for the origin of dark matter. [7]

Verlinde's article also attracted a large amount of media exposure, [8] [9] and led to immediate follow-up work in cosmology, [10] [11] the dark energy hypothesis, [12] cosmological acceleration, [13] [14] cosmological inflation, [15] and loop quantum gravity. [16] Also, a specific microscopic model has been proposed that indeed leads to entropic gravity emerging at large scales. [17] Entropic gravity can emerge from quantum entanglement of local Rindler horizons. [18]

The effective temperature experienced due to a uniform acceleration in a vacuum field according to the Unruh effect is:

Taking the holographic screen to be a sphere of radius r , the surface area would be given by:

From algebraic substitution of these into the above relations, one derives Newton's law of universal gravitation:

Note that this derivation assumes that the number of the binary bits of information is equal to the number of the degrees of freedom.

Entropic gravity, as proposed by Verlinde in his original article, reproduces the Einstein field equations and, in a Newtonian approximation, a 1/r potential for gravitational forces. Since its results do not differ from Newtonian gravity except in regions of extremely small gravitational fields, testing the theory with earth-based laboratory experiments does not appear feasible. Spacecraft-based experiments performed at Lagrangian points within our solar system would be expensive and challenging.

Even so, entropic gravity in its current form has been severely challenged on formal grounds. Matt Visser has shown [19] that the attempt to model conservative forces in the general Newtonian case (i.e. for arbitrary potentials and an unlimited number of discrete masses) leads to unphysical requirements for the required entropy and involves an unnatural number of temperature baths of differing temperatures. Visser concludes:

There is no reasonable doubt concerning the physical reality of entropic forces, and no reasonable doubt that classical (and semi-classical) general relativity is closely related to thermodynamics [52–55]. Based on the work of Jacobson [1–6], Thanu Padmanabhan [7–12], and others, there are also good reasons to suspect a thermodynamic interpretation of the fully relativistic Einstein equations might be possible. Whether the specific proposals of Verlinde [26] are anywhere near as fundamental is yet to be seen – the rather baroque construction needed to accurately reproduce n-body Newtonian gravity in a Verlinde-like setting certainly gives one pause.

For the derivation of Einstein's equations from an entropic gravity perspective, Tower Wang shows [20] that the inclusion of energy-momentum conservation and cosmological homogeneity and isotropy requirements severely restrict a wide class of potential modifications of entropic gravity, some of which have been used to generalize entropic gravity beyond the singular case of an entropic model of Einstein's equations. Wang asserts that:

As indicated by our results, the modified entropic gravity models of form (2), if not killed, should live in a very narrow room to assure the energy-momentum conservation and to accommodate a homogeneous isotropic universe.

Cosmological observations using available technology can be used to test the theory. On the basis of lensing by the galaxy cluster Abell 1689, Nieuwenhuizen concludes that EG is strongly ruled out unless additional (dark) matter like eV neutrinos is added. [21] A team from Leiden Observatory statistically observing the lensing effect of gravitational fields at large distances from the centers of more than 33,000 galaxies, found that those gravitational fields were consistent with Verlinde's theory. [22] [23] [24] Using conventional gravitational theory, the fields implied by these observations (as well as from measured galaxy rotation curves) could only be ascribed to a particular distribution of dark matter. In June 2017, a study by Princeton University researcher Kris Pardo asserted that Verlinde's theory is inconsistent with the observed rotation velocities of dwarf galaxies. [25] [26]

Sabine Hossenfelder argues that "one should interpret these studies [comparing dark matter gravitational studies with EG] with caution" because "approximations must be made to arrive at [the to be tested EG] equation[s]" and it's not yet clear that the approximations are themselves correct. [27]

In 2018, Zhi-Wei Wang and Samuel L. Braunstein showed that, while spacetime surfaces near black holes (called stretched horizons) do obey an analog of the first law of thermodynamics, ordinary spacetime surfaces — including holographic screens — generally do not, thus undermining the key thermodynamic assumption of the emergent gravity program. [28]

Entropic gravity and quantum coherence Edit

Another criticism of entropic gravity is that entropic processes should, as critics argue, break quantum coherence. There is no theoretical framework quantitatively describing the strength of such decoherence effects, though. The temperature of the gravitational field in earth gravity well is very small (on the order of 10 −19 K).

Experiments with ultra-cold neutrons in the gravitational field of Earth are claimed to show that neutrons lie on discrete levels exactly as predicted by the Schrödinger equation considering the gravitation to be a conservative potential field without any decoherent factors. Archil Kobakhidze argues that this result disproves entropic gravity, [29] while Chaichian et al. suggest a potential loophole in the argument in weak gravitational fields such as those affecting Earth-bound experiments. [30]


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