miércoles, 20 de octubre del 2021 Fecha
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La Gravedad… ¡Esa fuerza misteriosa!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Relativista    ~    Comentarios Comments (2)

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Dos nuevos estudios realizados por investigadores de Australia, Austria y Alemania han puesto en entredicho la forma en la que entendemos la física de la gravedad. Los descubrimientos, publicados en las revistas Astrophysical Journal y Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, se basan en observaciones de galaxias enanas satélite o galaxias más pequeñas que se encuentran en el extrarradio de la gran galaxia espiral que es la Vía Láctea.

   Las dos se atraen, ¿será alguna forma de gravedad? ¿Estará, de alguna manera presente el magnetismo?

La Ley de la gravitación universal de Newton, publicada en 1687, sirve para explicar cómo actúa la gravedad en la Tierra, por ejemplo por qué cae una manzana de un árbol. El profesor Pavel Kroupa del Instituto de Astronomía Argelander de la Universidad de Bonn (Alemania) explicó que «a pesar de que su ley describe los efectos cotidianos de la gravedad en la Tierra, las cosas que podemos ver y medir, cabe la posibilidad de que no hayamos sido capaces de comprender en absoluto las leyes físicas que rigen realmente la fuerza de la gravedad.

La ley de Newton ha sido puesta en entredicho por distintos cosmólogos modernos, los cuales han redactado teorías contradictorias sobre la gravitación que intentan explicar la gran cantidad de discrepancias que se dan entre las mediciones reales de los sucesos astronómicos y las predicciones basadas en los modelos teóricos. La idea de que la «materia oscura» pueda ser la responsable de estas discrepancias ha ganado muchos adeptos durante los últimos años. No obstante, no existen pruebas concluyentes de su existencia.

En esta investigación, el profesor Kroupa y varios colegas examinaron «galaxias enanas satélite», cientos de las cuales deberían existir en la cercanía de las principales galaxias, incluida la Vía Láctea, según indican los modelos teóricos. Se cree que algunas de estas galaxias menores contienen tan sólounos pocos millares de estrellas (se estima que la Vía Láctea, por ejemplo, contiene más de 200.000 millones de estrellas).

               Galaxia enana sextants
Unos Astrónomos de la Universidad de Michigan, midieron la velocidad de 6804 estrellas en siete galaxias enanas satélites de la Vía Láctea: Carina, Draco, Fornax, Leo I, Leo II, Scupltor y Sextans. Encontraron que, contrariamente a lo que predice la ley de la gravitación de Newton, las estrellas en estas galaxias no se mueven más lento cuanto más lejos estén del núcleo galáctico.

Al día de hoy sólo se ha logrado detectar treinta de estas galaxias alrededor de la Vía Láctea. Esta situación se atribuye al hecho de que, al contener tan pocas estrellas, su luz es demasiado débil como para que podamos observarlas desde una distancia tan lejana. Lo cierto es que este estudio tan detallado ha deparado resultados sorprendentes.

«En primer lugar, hay algo extraño en su distribución», indicó el profesor Kroupa. «Estas galaxias satélite deberían estar distribuidas uniformemente alrededor de su galaxia madre, pero no es el caso.» Nadie puede dar una explicación de tan atípica distribución que no concuerda con lo que, según la Ley de Newton, debería ser. Claro que, como era de esperar, uno de los científicos de la investigación se dejó caer con aquello de: “Nuestra investigación muestra que las galaxias enanas están dominadas por materia oscura” , es decir, buscan una explicación basándose en algo que aún, no está explicado y no se dan cuenta de que, la Ciencia, no es cosa de fe.

Las galaxias enanas esferoidales son pequeñas y muy débiles, conteniendo pocas estrellas en relación con su masa total. Los astrónomos encontraron difícil explicar el origen de este tipo de galaxias. Teorías previas proponían que estas galaxias orbitan cerca de galaxias mayores como la Vía Láctea, pero esto no explica cómo se formaron estas galaxias enanas que han sido observadas en las afueras del llamado “Grupo Local” de galaxias.

Los investigadores descubrieron que la totalidad de los satélites clásicos de la Vía Láctea (las once galaxias enanas más brillantes) están situados prácticamente en un mismo plano que dibuja una especie de disco. También observaron que la mayoría de estas once galaxias rotan en la misma dirección en su movimiento circular alrededor de la Vía Láctea, de forma muy similar a como lo hacen los planetas alrededor del Sol.

La explicación de los físicos a estos fenómenos es que los satélites debieron surgir de una colisión entre galaxias más jóvenes. «Los fragmentos resultantes de un acontecimiento así pueden formar galaxias enanas en rotación», explicó el Dr. Manuel Metz, también del Instituto de Astronomía Argelander. Éste añadió que «los cálculos teóricos nos indican la imposibilidad de que los satélites creados contengan materia oscura».

Las grandes galaxias como nuestra Vía Láctea, siempre han tenido galaxias enanas satélites a su alredor.

Estos cálculos contradicen otras observaciones del equipo. «Las estrellas contenidas en los satélites que hemos observado se mueven a mucha más velocidad que la predicha por la Ley de la gravitación universal. Si se aplica la física clásica, esto sólo puede atribuirse a la presencia de materia oscura», aseveró el Dr. Metz.

Este enigma nos indica que quizás se hayan interpretado de forma incorrecta algunos de los principios fundamentales de la física. «La única solución posible sería desechar la Ley de la gravitación de Newton», indicó el profesor Kroupa. «Probablemente habitemos un universo no Newtoniano. De ser cierto, nuestras observaciones podrían tener explicación sin necesidad de recurrir a la materia oscura

Hasta ahora, la Ley de la gravitación de Newton sólo ha sido modificada en tres ocasiones: para incluir los efectos de las grandes velocidades (la teoría especial de la relatividad), la proximidad de grandes masas (la teoría general de la relatividad) y las escalas subatómicas (la mecánica cuántica). Ahora, las graves inconsistencias reveladas por los datos obtenidos sobre las galaxias satélite respaldan la idea de que hay que adoptar una «dinámica newtoniana modificada» (MOND) para el espacio. Se ha llegado a publicar:

Foto: NASA

Datos recientes de galaxias ricas en gas coinciden exactamente con las predicciones de una teoría de la gravedad modificada conocida como MOND, según un nuevo análisis realizado por el profesor de Astronomía de la Universidad de Maryland, Stacy McGaugh. Ésta -la última de varias predicciones MOND exitosas- plantea nuevas preguntas sobre la exactitud del modelo cosmológico actual del Universo, escribe McGaugh en un artículo que será publicado en marzo en la revista Physical Review Letters.

La cosmología moderna dice que para que el universo se comporte como lo hace, la masa-energía del Universo debe ser dominada por materia oscura y energía oscura. Sin embargo, la evidencia directa de la existencia de estos componentes invisibles sigue siendo insuficiente. Una alternativa, aunque impopular, posibilidad es que la actual teoría de la gravedad no es suficiente para describir la dinámica de los sistemas cósmicos.

La teoría MOND, propuesta en 1981, modifica la segunda ley de la dinámica de Newton para que con ella se pueda explicar la rotación a velocidad uniforme de las galaxias, que contradice las predicciones newtonianas que afirman que la velocidad de los objetos separados del centro será menor.

Dibujo20090719_General_relativity_tests_(C)_annual_review

Por supuesto, verificar la gravedad es extremadamente difícil (es una fuerza extraordinariamente débil). En muchos rangos experimentales verificar la teoría de Einstein es muy difícil, por lo que hay hueco para teorías alternativas. Lo cierto es que, a pesar de todo, Einstein sigue más “vivo” que nunca, su Teoría con la edad de más de 100 años, es la que predomina en el Universo, y seguramentre, él sonríe en cualquier sitio que esté.

Los nuevos descubrimientos poseen implicaciones de gran calado para la física fundamental y para las teorías sobre el Universo. Según el astrofísico Bob Sanders de la Universidad de Groningen (Países Bajos), «los autores de este artículo aportan argumentos contundentes. Sus resultados coinciden plenamente con lo predicho por la dinámica newtoniana modificada, pero completamente contrarios a la hipótesis de la materia oscura. No es normal encontrarse con observaciones tan concluyentes.»

Como se puede ver, la falta de conocimiento de la Gravedad es palpable y cada Investigación realizada exponen unos resultados dispares, unos a favor y otros en contra de la Ley de Newton y, los que están en contra de ella se agarran a la “materia oscura” como si de un clavo ardiendo se tratara para el que se ahoga.

Una de las predicciones de MOND especifica la relación relativa entre la masa de una galaxia y su velocidad de rotación plana. Sin embargo, las incertidumbres en las estimaciones de las masas de las estrellas en las galaxias espirales dominadas por estrellas (como nuestra propia Vía Láctea), habían impedido una prueba definitiva.

La galaxia espiral NGC 3310 en ultravioleta

Para evitar este problema, McGaugh examinó galaxias ricas en gas, que tienen relativamente pocas estrellas y una preponderancia de la masa en forma de gas interestelar. “Nosotros entendemos la física de la absorción y liberación de energía por los átomos en el gas interestelar, de modo que contar fotones es como contar átomos. Esto nos da una estimación precisa de la masa de estas galaxias”, dijo McGaugh.

Utilizando el trabajo recientemente publicado que él y otros científicos habían hecho para determinar tanto la masa y la velocidad de rotación de las galaxias planas ricas en gas, McGaugh recopiló una muestra de 47 y comparó la masa de cada galaxia y la velocidad de rotación con la relación esperada por MOND. Las 47 galaxias coincidieron sobre o muy cerca de la predicción MOND. No hay un modelo de materia oscura realizado tan bien.

curva de rotación de una galaxia

Imagen: curva de rotación de las galaxias espirales. En color azul (A), la curva de rotación calculada usando las ecuaciones de Newton, en color rojo (B), la curva observada en función de la distancia de las estrellas en relación al centro de la galaxia.

Crédito imagen: www.astronoo.com

“Me parece sorprendente que la predicción hecha por Milgrom hace más de un cuarto de siglo funcione tan bien en la adecuación de estos hallazgos para las galaxias ricas en gas”, dijo McGaugh.

Casi todos coinciden en que en las escalas de cúmulos de galaxias grandes y superiores, el Universo está bien descrito por la materia oscura, la teoría de la energía oscura. Sin embargo, según McGaugh esta cosmología no tiene en cuenta lo que sucede en las escalas de galaxias y entes más pequeños.

“MOND es todo lo contrario”, dijo. “Representa la pequeña “escala de las galaxias individuales, pero MOND no te dice mucho sobre el universo más grande”.

           La materia oscura podría ser una licencia de la imaginación

Eso sí, imágenes de todo tipo mediante las cuáles se nos quiere hacer ver que, la materia oscura (dicen) está ahí presente, sin embargo, nada de lo que estamos viendo es materia oscura son filamentos de plasma, polvo y gas interestelar, y otros objetos y sustancias que en el Universo se producen mediante la química de la energía de las estrellas presente en esos lugares pero, “materia oscura” me parece que no.

¡Qué Locura! Después de tantos años, aún andamos a vueltas con la Gravedad que…no se entiende con la plenitud que cabría esperar y, lo cierto es que, por muchas leyes (como por ejemplo MOND) que quieran sacar al escenario de la Astronomía, Newton y Einstein siguen vigentes -cada cual en su plano- y, lo que falta por explicar, aún no ha sido explicado simplemente porque nadie sabe lo que es.

Algunas veces oímos a “reputados” Astrónomos y Astrofísicos hablar de la gravedad y se refieren a ella como si, los mundos, tuvieran agujeros y estuvieran vacíos, no saben explicar algunas anomalías que se encuentran en sus investigaciones y al no encontrar la causa, acuden a la socorrida materia oscura, esa alfombra debajo de la que barremos nuestra ignorancia.

¡Habrá que esperar!

emilio silvera

En Física hablamos de masa, inercia…, ¡de tántas cosas!

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (0)

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 «

Cuando hablamos de masa, nos estamos refiriendo a la medida de la inercia de un cuerpo, es decir, su resistencia a la aceleración. Todos sabemos la inmensa cantidad de combustible que se necesita para enviar al espacio exterior a esos transbordadores que llevan suministros y astronáutas al espacio exterior para el mantenimeinto de la Estación Espacial Internacional. El esfuerzo, es vencer la masa que se quiere transportar hasta que esta, alcanzando los 11 km/s de velocidad, pueda escapar de la fuerza de gravedad de la Tierra y poder así, cumplir con su cometido.

De acuerdo con las leyes de Newton del movimiento, si dos masas distintas, m1 y m2, son hechas colisionar en ausencia de cualquier otra fuerza, ambas experimentaran la misma fuerza de colisión. Si los dos cuerpos adquieren aceleraciones a1 y a2, como resultado de la colisión, entonces m1 a1 = m2 a2. Esta ecuación permite comparar dos masas. Si una de las masas se considera como una masa estándar, la masa de todas las demás puede ser medida comparándola con esta masa estándar. El cuerpo utilizado para este fin es un cilíndro de un kilógramo de una aleación de platino iridio. llamado el estándar internacional de masa. La masa definida de esta forma es llamada masa inercial del cuerpo.

Las masas también se pueden definir midiendo la fuerza gravitacional que producen. Por tanto, de acuerdo con la ley de gravitación de Newton, mg = Fd2 / MG, donde M es la masa de un cuerpo estándar situado a una distancia d del cuerpo de masa mg; F es la fuerza gravitacional entre ellos, y G es la constante gravitacional. La masa definida de esta forma es la masa gravitacional. En el siglo XIX, Roland Eötvös (1848-1919) demostró experimentalmente que las masas inerciales y gravitatorias son indistinguibles, es decir, m1 = mg.

Aunque la masa se define formalmente utilizando el concepto de inercia,  es medida habitualmente por gravitación. El peso (W) de un cuerpo es la fuerza con la que un cuerpo es atraído gravitacionalmente a la Tierra, corregido por el efecto de la rotación, y es igual al producto de la masa del cuerpo y la aceleración en caída libre (g), es decir, W = mg.

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            Kilogramo patrón.

El kilogramo (unidad de masa) tiene su patrón en: la masa de un cilindro fabricado en 1880, compuesto de una aleación de platino-iridio (90 % platino – 10 % iridio), creado y guardado en unas condiciones exactas, y que se guarda en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en Sevres, cerca de París.

masapeso001
Una balaza mide solo cantidad de masa.

La masa es la única unidad que tiene este patrón, además de estar en Sevres, hay copias en otros países que cada cierto tiempo se reúnen para ser regladas y ver si han perdido masa con respecto a la original.

No olvidemos que medir es comparar algo con un patrón definido universalmente.

¿Y el peso?

De nuevo, atención a lo siguiente: la masa (la cantidad de materia) de cada cuerpo es atraída por la fuerza de gravedad de la Tierra. Esa fuerza de atracción hace que el cuerpo (la masa) tenga un peso, que se cuantifica con una unidad diferente: el Newton (N).

La UNIDAD DE MEDIDA DEL PESO ES EL NEWTON (N)

Entonces, el peso es la fuerza que ejerce la gravedad sobre una masa y ambas magnitudes son proporcionales entre sí, pero no iguales, pues están vinculadas por el factor aceleración de la gravedad.

En el lenguaje común, el peso y la masa son frecuentemente usados como sinónimos; sin embargo, para fines científicos son muy diferentes. La masa es medida en kilogramos; el peso, siendo una fuerza, es medido en newtons (símbolo N. Unidad del SI de la fuerza, siendo la fuerza requerida para comunicar a una masa de un kilogramo una aceleración de 1 m s –2). Es más, el peso depende de donde sea medido, porque el valor de g es distintos en diferentes puntos de la superficie de la Tierra. La masa, por el contrario, es constante donde quiera que se mida, sujeta a la teoría especial de la relatividad. De acuerdo con esta teoría, publicada por Albert Einstein en 1905, la masa de un cuerpo es una medida de su contenido total de energía.

Energía cinética
Energía potencial gravitatoria
      Energía potencial elástica
    Energía química

Por tanto, si la energía del cuerpo crece, por ejemplo, por un aumento de su energía cinética o temperatura, entonces su masa también crece. De acuerdo con esta ley, un aumento de energía ΔE está acompañado de un aumento de masa Δm, en conformidad con la ecuación de masa-energía  Δm = ΔE/c2, donde c es la velocidad de la luz. Por tanto, si un kilo de agua se eleva de temperatura en 100 K, su energía interna aumentará en 4 x 10 -12 kg. Este es, por supuesto, un incremento despreciable y la ecuación de masa-energía es sólo significativa para energías extremadamente altas. Por ejemplo, la masa de un electrón es siete veces mayor si se mueve con relación a un observador al 99% de la velocidad de la luz.

Ya sabemos que, se ha comprobado una y mil veces que, la teoría de Einstein de la relatividad especial es cierta en el sentido de que, al ser la velocidad de la luz el límite de velocidad del Universo, nada puede ir más rápido que la luz, cuando un cuerpo viaja a velocidades cercanas a la de la luz, a medida que se acerca a ella, puede ver como su masa aumenta, ya que, la energía de movimiento se convierte en masa al no poder conseguir su objetivo de marchar más rápido que la luz.

En los anillos enterrados en las entrañas de la Tierra, haces de partículas son lanzadas a la velocidad de la luz para que colisionen y, su peso aumenta conforme se van acercando a ese límite marcado por el universo.

La masa relativista de un cuerpo medida por un observador (un físico del LHC que mide el aumento de masa de los protones a medida que adquieren velocidad en el acelerador de partículas del CERN) con respecto al cual este cuerpo se mueve. De acuerdo con la teoría de Einstein, la masa m de un cuerpo moviendose a velocidad v está dada por  m = m0/√ (1 – v2 / c2), donde m0 es su masa en reposo y c es la velocidad de la luz. La masa relativista solo difiere significativamente de la masa en reposo si su velocidad es una fracción apreciable  de la velocidad de la luz. Si v = c/2, por ejemplo, la masa relativista es un 15% mayor que la masa en reposo.

Según las consecuencias obtenidas en el proyecto Manhattan, lo que sí es seguro es que, una pequeña fracción de materia, contiene una gran cantidad de energía. Según nos decía Asimov: “…un sólo gramo de materia se podría convertir en energía eléctrica que bastaría para mantener luciendo continuamente una bombilla de 100 vatios durante unos 28.200 años. O bien, la energía que representa un sólo gramo de materia es equivalente a la que se obtendría de quemar unos 32 millones de litros de gasolina”.

   Decimos que es la capacidad para realizar trabajo

Una cosa si que nos puede quedar muy clara: Aunque sabemos algunas cosas sobre la masa y lo que entendemos por la energía, no podemos decir que, al día de hoy, “sepamos de verdad”, lo que la masa y la energía son.

Seguiremos aprendiendo. Sin embargo, nunca dejes de tener en cuenta que, lo que es cierto hoy, mañana será una verdad distinta. Todo dependen de la teoría aceptada en el momento, toda vez que, con el paso del tiempo las ideas evolucionan y todo es mejorables a medida que nuestros conocimientos avanzan. Así que la idea que podamos tener de Gravedad, masa, energía e inercia, mañana podría ser distinta a la que hoy podamos tener.

emilio silvera