Cuando pensamos en la gravedad, normalmente lo hacemos como una fuerza entre masas. Cuando te subes a una balanza, por ejemplo, el número que aparece en ella representa la atracción de la gravedad de la Tierra sobre tu masa, dándote peso. Es fácil imaginar la fuerza gravitatoria del Sol que mantiene a los planetas en sus órbitas, o la atracción gravitatoria de un agujero negro. Las fuerzas son fáciles de entender como empujes y tirones.
Pero ahora entendemos que la gravedad como fuerza es sólo una parte de un fenómeno más complejo que describe la teoría de la relatividad general. Aunque la relatividad general es una teoría elegante, se aleja radicalmente de la idea de la gravedad como fuerza. Como dijo una vez Carl Sagan, «las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias», y la teoría de Einstein es una afirmación muy extraordinaria. Pero resulta que hay varios experimentos extraordinarios que confirman la curvatura del espacio y del tiempo.
La clave de la relatividad general reside en el hecho de que todo lo que está en un campo gravitatorio cae a la misma velocidad. Póngase en la Luna y deje caer un martillo y una pluma, y golpearán la superficie al mismo tiempo. Lo mismo ocurre con cualquier objeto, independientemente de su masa o composición física, y esto se conoce como el principio de equivalencia.
Dado que todo cae de la misma manera independientemente de su masa, significa que sin algún punto de referencia externo, un observador que flota libremente lejos de las fuentes gravitatorias y un observador en caída libre en el campo gravitatorio de un cuerpo masivo tienen cada uno la misma experiencia. Por ejemplo, los astronautas en la estación espacial parecen flotar sin gravedad. En realidad, la atracción gravitatoria de la Tierra en la estación espacial es casi tan fuerte como en la superficie. La diferencia es que la estación espacial (y todo lo que hay en ella) está cayendo. La estación espacial está en órbita, lo que significa que está literalmente cayendo alrededor de la Tierra.
Esta equivalencia entre flotar y caer es la que utilizó Einstein para desarrollar su teoría. En la relatividad general, la gravedad no es una fuerza entre masas. En cambio, la gravedad es un efecto de la deformación del espacio y el tiempo en presencia de la masa. Sin una fuerza que actúe sobre él, un objeto se moverá en línea recta. Si se dibuja una línea en una hoja de papel y luego se tuerce o se dobla el papel, la línea ya no parecerá recta. Del mismo modo, la trayectoria recta de un objeto se dobla cuando el espacio y el tiempo se doblan. Esto explica por qué todos los objetos caen a la misma velocidad. La gravedad deforma el espaciotiempo de una manera particular, por lo que las trayectorias rectas de todos los objetos se doblan de la misma manera cerca de la Tierra.
Entonces, ¿qué tipo de experimento podría demostrar que la gravedad es un espaciotiempo deformado? Uno de ellos proviene del hecho de que la luz puede ser desviada por una masa cercana. A menudo se argumenta que, como la luz no tiene masa, no debería ser desviada por la fuerza gravitatoria de un cuerpo. Esto no es del todo correcto. Como la luz tiene energía, y según la relatividad especial la masa y la energía son equivalentes, la teoría gravitacional de Newton predice que la luz se desviará ligeramente por una masa cercana. La diferencia es que la relatividad general predice que se desviará el doble.
El efecto fue observado por primera vez por Arthur Eddington en 1919. Eddington viajó a la isla de Príncipe, en la costa de África Occidental, para fotografiar un eclipse total. Anteriormente había tomado fotos de la misma región del cielo. Comparando las fotos del eclipse y las anteriores del mismo cielo, Eddington pudo demostrar que la posición aparente de las estrellas se desviaba cuando el Sol estaba cerca. La cantidad de desviación coincidía con Einstein, y no con Newton. Desde entonces, hemos visto un efecto similar en el que la luz de los cuásares y galaxias distantes es desviada por masas más cercanas. A menudo se denomina lente gravitacional, y se ha utilizado para medir las masas de las galaxias, e incluso para ver los efectos de la materia oscura.
Otra prueba se conoce como el experimento del retraso temporal. La masa del Sol deforma el espacio cerca de él, por lo que la luz que pasa cerca del Sol no viaja en una línea perfectamente recta. En cambio, viaja a lo largo de una trayectoria ligeramente curvada que es un poco más larga. Esto significa que la luz de un planeta situado al otro lado del sistema solar llega a nosotros un poco más tarde de lo que cabría esperar. La primera medición de este retraso fue realizada a finales de los años 60 por Irwin Shapiro. Las señales de radio rebotaron en Venus desde la Tierra cuando los dos planetas estaban casi en lados opuestos del sol. El retraso medido en el viaje de ida y vuelta de las señales fue de unos 200 microsegundos, tal y como predice la relatividad general. Este efecto se conoce ahora como el retardo de Shapiro, y significa que la velocidad media de la luz (determinada por el tiempo de viaje) es ligeramente más lenta que la velocidad instantánea (siempre constante) de la luz.
Un tercer efecto son las ondas gravitacionales. Si las estrellas deforman el espacio a su alrededor, el movimiento de las estrellas en un sistema binario debería crear ondas en el espacio-tiempo, de forma similar a la forma en la que al girar el dedo en el agua se pueden crear ondas en la superficie del agua. A medida que las ondas gravitatorias se alejan de las estrellas, se llevan parte de la energía del sistema binario. Esto significa que las dos estrellas se acercan gradualmente, un efecto conocido como inspiración. A medida que las dos estrellas se inspiran, su período orbital se acorta porque sus órbitas se hacen más pequeñas.
Para las estrellas binarias regulares este efecto es tan pequeño que no podemos observarlo. Sin embargo, en 1974 dos astrónomos (Hulse y Taylor) descubrieron un interesante púlsar. Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente y que casualmente irradian pulsos de radio en nuestra dirección. La frecuencia de los pulsos de los púlsares suele ser muy, muy regular. Hulse y Taylor observaron que la frecuencia de este púlsar en particular se aceleraba ligeramente y luego se ralentizaba un poco a un ritmo regular. Demostraron que esta variación se debía al movimiento del púlsar al orbitar una estrella. Pudieron determinar el movimiento orbital del púlsar con gran precisión, calculando su período orbital con una precisión de una fracción de segundo. Al observar su púlsar a lo largo de los años, se dieron cuenta de que su periodo orbital se acortaba gradualmente. El púlsar se está inspirando debido a la radiación de las ondas gravitatorias, tal y como se predijo.
Por último, existe un efecto conocido como arrastre de marco. Hemos visto este efecto cerca de la propia Tierra. Como la Tierra está girando, no sólo curva el espaciotiempo por su masa, sino que retuerce el espaciotiempo a su alrededor debido a su rotación. Esta torsión del espaciotiempo se conoce como arrastre del marco. El efecto no es muy grande cerca de la Tierra, pero se puede medir a través del efecto Lense-Thirring. Básicamente, se pone un giroscopio esférico en órbita y se observa si su eje de rotación cambia. Si no hay arrastre de marco, entonces la orientación del giroscopio no debería cambiar. Si hay arrastre de marco, entonces el giro espiral del espacio y el tiempo hará que el giroscopio precese, y su orientación cambiará lentamente con el tiempo.
De hecho, hemos realizado este experimento con un satélite conocido como Gravity Probe B, y puedes ver los resultados en la figura de aquí. Como puedes ver, coinciden muy bien.
Cada uno de estos experimentos muestra que la gravedad no es simplemente una fuerza entre masas. La gravedad es más bien un efecto del espacio y del tiempo. La gravedad está integrada en la propia forma del universo.
Piensa en ello la próxima vez que te subas a una balanza.