Astronomía

¿Puede la radiación afectar la gravedad?

¿Puede la radiación afectar la gravedad?


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Me preguntaba si la radiación del sol afecta la gravedad cuando pasa por el espacio. ¿Puede la radiación fortalecer o debilitar la fuerza de la gravedad?


La radiación tiene energía y la energía ejerce la gravedad. Se podría decir que "fortalece la fuerza de gravedad" (definitivamente no debilitar it), pero sería más apropiado decir que contribuye al campo gravitacional total.

El efecto es inmensamente pequeño, sin embargo, y en casi todas las circunstancias es completamente insignificante en comparación con la gravedad de otras formas de masa / energía. Pero la mayor parte de la radiación en el Universo es el llamado fondo cósmico de microondas, y debido a que esta radiación se desplaza gradualmente al rojo con el tiempo, solía ser más energética y, por lo tanto, ejercía más gravedad. Es bastante fácil calcular que hasta que el Universo tenía aproximadamente 50.000 años, la radiación en realidad dominaba el campo gravitacional.

Prólogo:

Como Zephyr señala a continuación, el término "ejercer la gravedad" no es realmente la forma correcta de describir la gravedad. En la relatividad general, se supone que los objetos siguen líneas rectas en el espacio, a menos que una fuerza (por ejemplo, electromagnética) actúe sobre ellos. Qué nosotros interpretar como "gravedad" es la desviación de lo que nosotros pensar es "recto", causado por un cambio geométrico en el espacio (y el tiempo) y, por lo tanto, en las reglas matemáticas que usamos para calcular, p. ej. cómo se comportan las líneas paralelas, cuántos grados hay en un triángulo, etc., alrededor de un objeto masivo. La deformación del espacio viene dada por las ecuaciones de campo de Einstein, en las que aparece el llamado tensor tensión-energía. Este es un objeto matemático que consta de 16 números, de los cuales uno número (el "$ T ^ {00} $ 'th componente") contiene la densidad de energía de todo, es decir, radiación, materia oscura, energía oscura, estrellas, planetas, bicicletas y, en particular, tu mamá.


Evolución estelar

en un estrella de la secuencia principal, con una masa similar a la del sol, la presión de radiación que proviene de las reacciones nucleares en su núcleo equilibra la inmensa gravedad del total de la masa de las estrellas.

A lo largo de su vida, a medida que se hincha hasta convertirse en una gigante roja, estas mismas fuerzas lo mantienen unido, pero cuando se reduce a una enana blanca y ya no se fusiona, actúan diferentes fuerzas.

La enano blanco es el núcleo de la antigua estrella y ahora es una estructura cristalizada de oxígeno y carbono, densamente repleta de electrones.

Mientras que antes los electrones podían moverse libremente, ahora están restringidos en su movimiento. La fuerte gravedad significa que los electrones son más compactos. Esto se llama presión de degeneración de electrones y mantiene estable a la enana blanca.

El astrofísico Subrahmanyan Chandrasekhar se dio cuenta de que cuanto mayor es la masa de una enana blanca, más densa se vuelve y, por lo tanto, más pequeña. Una enana blanca no puede tener más de 1,4 masas solares. Esto se llama Límite de Chandrasekhar.

Si la presión ya no puede mantener la gravedad después de este punto, se convertirá en una estrella de neutrones.

en un estrella neutrón los electrones y los protones se combinan para formar neutrones. La presión de los neutrones mantiene equilibrada la inmensa fuerza gravitacional.

Una estrella supergigante que ha quemado sus elementos desarrolla un núcleo de hierro en cuyo punto la presión de radiación que mantiene la fuerza gravitacional en su lugar colapsa. La gravedad consume el núcleo y se colapsa dejando un calabozo.


¿Puede la radiación afectar la gravedad? - Astronomía

Exploramos hasta qué punto se pueden usar modelos algebraicos simples para describir las regiones H II cuando se incluyen los vientos, la presión de radiación, la gravedad y la ruptura de fotones. Nosotros (a) desarrollamos modelos algebraicos para describir la expansión de regiones H II fotoionizadas bajo la influencia de la gravedad y la acreción en campos de densidad de ley de potencia con ρ ∝ r -w, (b) determinamos cuando los términos describen vientos, presión de radiación, gravedad, y la ruptura de fotones se vuelve lo suficientemente significativa como para afectar la dinámica de la región H II donde w = 2, y (c) resolver estas expresiones para un conjunto de condiciones motivadas físicamente. Encontramos que la retroalimentación de la fotoionización de las estrellas masivas es el modo principal de retroalimentación en las escalas de las nubes moleculares, impulsando los flujos de salida acelerados de las nubes moleculares en los casos en que la estructura de densidad máxima alrededor de las estrellas masivas jóvenes se considera en radios entre ∼0,1 y 10-100 pc. En una amplia gama de condiciones, el efecto de los vientos y la radiación sobre la dinámica de las regiones H II es de alrededor del 10% de la contribución de la fotoionización. El efecto de los vientos y la presión de la radiación es más importante a altas densidades, ya sea cerca de la estrella o en nubes muy densas como las de la Zona Molecular Central de la Vía Láctea. Hasta ∼0,1 pc son los principales impulsores de la región H II. Las metalicidades más bajas hacen que el efecto relativo de la fotoionización sea aún más fuerte a medida que la temperatura del gas ionizado es más alta.


¿Qué le sucede al cuerpo de un astronauta en el espacio?

Narrador: En 2016, el astronauta Scott Kelly regresó a la Tierra después de casi un año en la Estación Espacial Internacional. Pero cuando regresó, era 2 pulgadas más alto. Entonces, ¿qué sucedió exactamente allí y qué significa eso para el futuro de los viajes espaciales?

Narrador: Si está planeando un viaje a la Estación Espacial Internacional, prepárese para sentirse ingrávido. La estación orbita el planeta cada 90 minutos, moviéndose a más de 27.000 kilómetros por hora. Eso es 30 veces más rápido que un avión a reacción comercial. Como resultado, los astronautas a bordo viven en un estado constante de caída libre o ingravidez.

Garrett Reisman: Estar ahí arriba en microgravedad es asombroso. Es, como, lo más genial, porque es como si tuvieras el poder de volar.

Narrador: Ese es Garrett Reisman, un ex astronauta de la NASA que ha registrado 107 días en el espacio. Hay algunos efectos secundarios inmediatos, dice, cuando experimentas microgravedad por primera vez.

Reisman: Entonces, lo primero que realmente sientes es que te sientes un poco enfermo. No te sientes muy bien esos primeros días. Es como estar mareado en el aire o en el mar. Lo llamamos enfermedad de la adaptación espacial. Su sistema vestibular, sus órganos que proporcionan información al cerebro sobre su rotación y su aceleración, no funcionan tan bien sin estar en gravedad.

Narrador: Sin la gravedad trabajando en su cuerpo, sus huesos y músculos también comienzan a romperse. De hecho, la densidad ósea se reduce en más de un 1% por mes. En comparación, la tasa de pérdida ósea para hombres y mujeres de edad avanzada es de alrededor del 1% al 1,5% por año. Y, debido a que no requiere mucho esfuerzo flotar por el espacio, sus músculos pierden fuerza y ​​resistencia con bastante rapidez.

Reisman: Tienes que hacer ejercicio todos los días. Entonces, programaron dos horas al día casi todos los días mientras yo estaba en la estación espacial para hacer ejercicio. Lo que descubrimos fue que, si haces suficiente ejercicio de resistencia, puedes detener los efectos de la pérdida ósea y la atrofia muscular.

Narrador: Sin la gravedad que los empuje hacia abajo, los fluidos se acumulan en el cuerpo y lo engañan haciéndole creer que lleva demasiada agua. Como resultado, los astronautas tienen que orinar. mucho. Esto les facilita la deshidratación y el desarrollo de cálculos renales.

Reisman: Entonces, tienes un cambio en tu fluido. Gran parte del volumen de sangre que normalmente cae en tus piernas termina aquí, y tu pecho se hincha un poco y tu cara se hincha, y puedes verlo. Si miras fotos de nosotros en la estación espacial, parece que subimos de peso o algo así y estamos todos hinchados.

Narrador: La hinchazón en la parte superior del cuerpo también ejerce presión sobre los ojos, lo que puede causar problemas de visión.

Reisman: Muchos de nosotros, incluyéndome a mí, tuvimos un cambio en nuestra visión mientras estábamos en el espacio. Empiezas, todo estaba bien y, de repente, las cosas se vuelven borrosas. Pudimos ver los efectos de eso. Podríamos ver inflamación en el nervio óptico, pudimos ver pliegues en la córnea, pero todavía no estamos 100% seguros de qué lo está causando y cómo detenerlo.

Narrador: Con todos los desafíos de los viajes espaciales, uno de los beneficios es que realmente te haces más alto.

Reisman: Entonces, sí, te haces más alto cuando vas al espacio. Esa es la razón por la que me inscribí en este trabajo. Tu columna está siendo comprimida por la gravedad. Entonces, cuando ingresa al entorno de microgravedad y ya no tiene ningún tipo de carga de compresión en la columna, se estira. Crecí alrededor de una pulgada.

Astronauta: ¡Woo-hoo!

Narrador: Sin la gravedad trabajando en su contra, el corazón no tiene que trabajar tan duro para bombear sangre por todo el cuerpo. Con el tiempo, esto podría llevar a que el corazón en realidad disminuya de tamaño.

Reisman: Hay un efecto en el sistema cardiovascular por estar en el espacio. Entonces obtienes una capacidad aeróbica reducida. Puedes estar en muy buena forma, y ​​después de estar en el espacio por un par de días, puedes subirte a la cinta y pensar, "Hombre, no debí haber estado yendo al gimnasio".

Narrador: El sistema inmunológico también se ve afectado. Los investigadores descubrieron que la falta de gravedad debilita las funciones de las células T, que juegan un papel crucial en la lucha contra las enfermedades.

Narrador: Otra preocupación es la radiación cósmica. Los astronautas de la estación están expuestos a más de 10 veces la cantidad de radiación que recibimos en la Tierra.

Reisman: A un par de cientos de millas, estamos muy por encima de la atmósfera, pero todavía estamos muy por debajo del campo magnético de la Tierra. Pero todavía tenemos una gran protección contra ese campo magnético. De hecho, podría darse cuenta, porque cuando cierra los ojos, ve pequeños relámpagos, y eso en realidad es el resultado de que parte de la radiación golpea sus globos oculares y libera fotones.

Narrador: El blindaje artificial en la ISS solo protege parcialmente a los astronautas de la radiación fuerte, dejándolos más susceptibles al cáncer y otras enfermedades más adelante en la vida.

Narrador: Finalmente, los astronautas también deben poder manejar los desafíos psicológicos del confinamiento y el aislamiento.

Reisman: Entonces, hay un aspecto psicológico en estar en el espacio, tanto por el hecho de que estás aislado del resto de la humanidad, como por el hecho de que era realmente extraño estar mirando por la ventana a miles de millones de personas que no tenían forma de llegar. a mi. Cuando estuve allí, solo tenía dos compañeros de tripulación a la vez en la estación espacial, así que si no te llevas bien con alguien, podría ser malo, porque no tienes muchas opciones para hacer nuevos amigos.

Narrador: Y, sin un ciclo de sueño de 24 horas, el ritmo circadiano de los astronautas se altera, lo que puede causar más estrés y provocar trastornos del sueño.

Reisman: Estás llevando el desfase horario a otro extremo. Bueno, lo raro es que das la vuelta al planeta una vez cada hora y media. Entonces, cada 45 minutos, el sol sale o se pone. Así que no puedes decir qué hora es mirando por la ventana.

Narrador: Entonces, ¿qué significa todo esto para el futuro de los viajes espaciales? Bueno, un viaje a Marte expondría a los astronautas a peligros aún mayores que los de la Estación Espacial Internacional. Se enfrentarían a niveles más altos de radiación, campos de gravedad cambiantes y tiempos de viaje más largos, lo que agravaría todos los efectos negativos del espacio en el cuerpo y la mente humanos.

Reisman: Creo que el mayor problema con el que tenemos que lidiar es la radiación. No sabemos con precisión qué le hace esa radiación exacta a los seres humanos. Pero, ¿qué hacen los rayos gamma o qué hacen los iones pesados, qué hacen los tejidos humanos? Realmente no lo sabemos.

Narrador: En este momento, la NASA y otras organizaciones de investigación están trabajando para desarrollar una mejor tecnología que proteja a los astronautas contra estos peligros, por lo que tal vez algún día los humanos puedan llegar a Marte.

NOTA DEL EDITOR: Este video se publicó originalmente en septiembre de 2019.


Respuestas y respuestas

No hay razón para ninguna ley física fundamental.
Me preocuparía si hubiera 10 o más conjuntos de leyes de la gravedad. No pueden ser todas verdaderas, a menos que sean solo formas diferentes de escribir las mismas leyes.

¿Las leyes mismas? Para nada.
¿Gravedad? Mueva masas alrededor.

Todavía en 2012 no hay ninguna razón para la gravedad (que puedo encontrar en línea) y solo las pocas leyes de la gravedad (Newton, Einstein). No soy un científico y no afirmo que sepa mucho sobre física, sin embargo, sí sé los conceptos básicos y quiero que la gente deje de lado los conceptos básicos y piense fuera del cuadro en esta pregunta. & Quothow we can effect it on earth & quot

También otra pregunta es si los objetos `` grandes '' con una gran cantidad de masa causan gravedad en / en el tiempo-espacio (malla), ¿hay un mínimo y un máximo para los efectos de la gravedad y por qué si ponemos algo en el espacio (como una nave espacial), lo hace? no crear ninguna gravedad propia? o lo hace? Creo que si pones algo en nada, crearía algo (incluso si es muy pequeño) dado que cada acción tiene una reacción.

de nuevo, no soy un científico, así que sea amable y no responda diciendo que aún no lo sabemos, los hechos o sus ideas serán una buena respuesta.

No "dejamos de lado lo básico y pensamos fuera de la caja" aquí en el PF. Verifique sus PM y vuelva a leer el enlace Reglas en la parte superior de la página. El hilo está bloqueado.


Chandra detecta la primera evidencia posible del efecto de la gravedad en la radiación de la estrella de neutrones

Con el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, los astrónomos han detectado características que pueden ser la primera evidencia directa del efecto de la gravedad sobre la radiación de una estrella de neutrones. Este hallazgo, si se confirma, podría permitir a los científicos medir el campo gravitacional de las estrellas de neutrones y determinar si contienen formas exóticas de materia que no se ven en la Tierra.

Un equipo dirigido por George Pavlov de la Universidad Penn State en University Park observó 1E 1207.4-5209, una estrella de neutrones en el centro de un remanente de supernova a unos 7.000 años luz de la Tierra. Los resultados se presentaron el 6 de junio de 2002 en la Sociedad Astronómica Estadounidense en Albuquerque, Nuevo México.

El grupo de Pavlov encontró dos caídas, o características de absorción, en el espectro de rayos X de la estrella. Si estas caídas se deben a la absorción de rayos X cerca de la estrella por iones de helio en un campo magnético fuerte, indican que el campo gravitacional reduce las energías de los rayos X que escapan cerca de la superficie de una estrella de neutrones.

"Esta interpretación es consistente con los datos", dijo Pavlov, "pero las características pueden ser una combinación de muchas otras características. Se necesitan mediciones más precisas, preferiblemente con el espectrómetro de rejilla de Chandra".

"Estas características de absorción pueden ser la primera evidencia del efecto de la gravedad sobre la radiación cerca de la superficie de una estrella de neutrones aislada", dijo Pavlov. "Esto es particularmente importante porque nos permitiría establecer límites sobre el tipo de materia que comprende esta estrella".

Las estrellas de neutrones se forman cuando una estrella masiva se queda sin combustible y su núcleo colapsa. Se produce una explosión de supernova y el núcleo colapsado se comprime en un objeto caliente de unas 12 millas de diámetro, con una atmósfera delgada de hidrógeno y posiblemente iones más pesados ​​en un campo gravitacional 100 mil millones de veces más fuerte que el de la Tierra.

Estos objetos, que tienen una densidad de más de mil millones de toneladas por cucharadita, se denominan estrellas de neutrones porque se pensaba que estaban compuestos principalmente de neutrones. Aunque las estrellas de neutrones se han estudiado ampliamente durante más de tres décadas, aún se desconoce su naturaleza exacta.

"Ni siquiera estamos seguros de que las estrellas de neutrones estén compuestas de neutrones", dijo Divas Sanwal, también de Penn State, y autor principal de un artículo que describe los resultados del equipo. "Podrían estar compuestos en gran parte por partículas subatómicas llamadas piones o kaones, o incluso quarks libres".

Una clave para reducir el rango de posibilidades es medir la fuerza de la gravedad en la superficie de una estrella de neutrones observando su efecto en los rayos X desde muy cerca de la superficie de la estrella. De acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein, la atracción de fotones por el campo gravitacional de una estrella da como resultado una menor energía del fotón (mayor longitud de onda de radiación) cuando es detectado por un observador distante. La medición de este desplazamiento al rojo gravitacional relaciona la masa con el radio de la estrella, y probará las teorías de las diversas formas posibles de materia densa.

El equipo, que también incluye a Slava Zavlin del Instituto Max Plank de Física Extraterrestre, Alemania, y Marcus Teter de Penn State, consideró varias explicaciones posibles para las características de absorción observadas desde 1E 1207. La fuerza y ​​la energía de rayos X de las características lo hacen Es improbable que se deban a material interestelar intermedio o absorción debido a electrones o iones que circulan en un fuerte campo magnético. La hipótesis más probable, concluyen, es que las características se deben a la absorción por iones de helio en un campo magnético unas cien billones de veces más intenso que el campo magnético de la Tierra. En este caso, el corrimiento al rojo gravitacional reduce la energía de los rayos X en un 17 por ciento.

Pavlov y sus colegas observaron 1E 1027 con el espectrómetro avanzado de imágenes CCD de Chandra el 6 de enero de 2000 y nuevamente el 5 de enero de 2002, cada vez durante aproximadamente 30.000 segundos.

El instrumento ACIS fue construido para la NASA por Penn State y el Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, Mass. Bajo el liderazgo de Gordon Garmire de Penn State. El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA, Huntsville, Alabama, administra el programa Chandra para la Oficina de Ciencias Espaciales, Washington, D.C. TRW, Inc., Redondo Beach, California, es el principal contratista de la nave espacial. El Centro de rayos X Chandra del Smithsonian controla las operaciones científicas y de vuelo desde Cambridge.

Las imágenes asociadas con esta versión están disponibles en la World Wide Web en:


Especiación marciana

Solomon explicó que las nuevas especies evolucionan más comúnmente cuando una barrera impide que una población se aparee, como en un archipiélago insular, por lo que las especies en islas Galápagos separadas evolucionan a lo largo de líneas separadas. Con la humanidad moderna, por supuesto, la tendencia va en la dirección opuesta, ya que las personas se mueven por el planeta a un ritmo sin precedentes en la historia de la humanidad. “Por lo tanto, en el planeta Tierra se necesitaría un cambio importante para imaginarnos con poblaciones aisladas el tiempo suficiente para tener especies distintas”, dijo.

El abismo entre la Tierra y Marte podría presentar tal barrera, si la colonia marciana fuera autosuficiente y persistente. A través de la selección natural, los humanos y cualquier organismo que traigan consigo, como las plantas, pueden evolucionar y adaptarse al duro entorno y la baja gravedad de Marte, que es solo un tercio de la gravedad de la Tierra.

Otras lecturas

Al carecer de magnetosfera, Marte es bombardeado por una mayor tasa de radiación, lo que también favorece la especiación. La radiación ionizante provoca mutaciones en los genes, lo que proporcionaría una fuente de nuevas variaciones genéticas. Eso podría acelerar el proceso de adaptación. En el lado negativo, dijo Solomon, la radiación más alta podría matar a la gente. O podría hacer que los colonos se apiñen perpetuamente dentro de pequeños hábitats y trajes espaciales, llevando una existencia similar a Morlock y enfrentando un destino evolutivo similar.

En última instancia, aún puede llevar mucho tiempo que se produzca la especiación. El único punto de datos sólido que tenemos en la Tierra es la colonización de las Américas, que fueron colonizadas por oleadas de personas que cruzaban el Estrecho de Bering hacia el final de la última edad de hielo. Posteriormente, estas poblaciones se aislaron del resto del mundo durante unos 10.000 años. Cuando llegaron los europeos, encontraron una población distinta de nativos americanos, dijo Solomon, pero ciertamente no una especie diferente. Eso sugeriría que, en un planeta con una atmósfera y gravedad similares a la Tierra, una población humana tardaría más de 10,000 años en especiarse. Marte no es ese planeta, por supuesto.

Otro factor a considerar mientras los humanos contemplan colonizar otros mundos, dijo Solomon, es el "efecto fundador", que simplemente significa que cuando un pequeño número de personas establece una nueva población a partir de una población más grande, los genes de los fundadores tendrán una gran influencia. sobre esa población en el futuro. Esto ocurrió con las pequeñas bandas de humanos que se extendieron desde África.

"Estoy pensando en cuál puede ser el destino a largo plazo de nuestra especie", dijo Solomon. “Al seleccionar colonos, no creo que debamos intentar seleccionar qué atributos queremos en una nueva especie de humanos. Pero es interesante pensar que si se tomara solo a personas de ciertas poblaciones, o se tratara de incluir una diversidad de toda la humanidad, esos resultados serían muy diferentes para el potencial de lo que podría convertirse en una nueva especie de humanos ".


¿Cuál es el efecto de la radiación sobre el plomo?

Escuché sobre Radithor hoy, básicamente una bebida de los años 20 & # x27 que estaba destinada a curar todos tus males. Contenía radio 226 y radio 228.

Una persona murió por ingerir demasiado. Fueron enterrados en un ataúd revestido de plomo. Exhumado en los años 50, todavía era radiactivo y presumiblemente lo volvieron a colocar en el ataúd revestido de plomo.

Mi pregunta es, ¿qué pasará con el interior del ataúd y específicamente con el plomo? ¿Se disiparán las partículas en el plomo en forma de calor? ¿El plomo desaparecerá lentamente a la nada?

No le pasará nada al plomo de la radiación. El plomo se disipará durante miles de años en óxido de plomo, pero no a causa de la radiación. La radiación se disipará con el paso de los años y el radio se transmuta en gas radón y luego en gas xenón.

La radiación se disipará con los años y el radio se transmuta en gas radón y luego en gas xenón.

El radio se descompone en radón, que se descompone en un par de pasos intermedios para convertirse en plomo. Sin xenón involucrado (que es mucho más ligero).

Un punto de aclaración: la frecuencia con la que ocurren las desintegraciones radiactivas disminuirá gradualmente, a medida que los átomos de radio radiactivo se desintegran en plomo. Cada evento radiactivo real dura solo un breve momento, ya que la energía o partícula se mueve muy rápido y transfiere su energía a los átomos con los que chocó casi instantáneamente. Los átomos con los que chocan a veces emiten rayos X cuando se alejan de las colisiones, pero tiene razón al pensar que la energía de las desintegraciones será en última instancia calor (a veces los niveles de radiactividad se dan en vatios, correspondientes al calor que generan). generar).

Cuando cada átomo de radio se descompone, se convierte brevemente en un átomo de radón cargado eléctricamente, que es un gas y flotará dondequiera que los gases estén libres para moverse en el ataúd. Ese gas tiene una vida media de 4 días, en el caso del radón-222, en el que se desintegra el radio-226.

Todos los pasos en la cadena de desintegración después de eso son sólidos, por lo que cada átomo de radio en algún momento se desintegrará y caerá del aire, a menudo adherido a una partícula de polvo, y terminará con todo el radio convertido en gas, flotaba y se distribuía uniformemente en el interior del ataúd como polvo.

El radio-226 y el radio-228 siguen cadenas similares, pero el tipo (isótopo) de gas radón en el que se convierte el radio-228 (radón-220) solo tiene una vida media de un minuto, por lo que tendría menos tiempo para flotar. antes de volverse sólido de nuevo.

Editar: el gas radón que se filtra del suelo a partir de pequeños trozos de torio y uranio en la tierra puede ingresar a los sótanos o acumularse en los espacios bajos. El radón en el aire interior es la principal fuente de radiación para la mayoría de las personas.

Los alfa, beta y gamma radiactivos pueden detenerse con una pequeña cantidad de sólidos como la suciedad, por lo que probablemente la parte clave para proteger el medio ambiente de la dosis radiactiva en el caso de este ataúd es hacerlo hermético al aire, en lugar de hacer que sus paredes lo absorban. todas las partículas radiactivas. Esto evitaría que el radón se filtre y suba a la superficie.


Maggie Aderin-Pocock, científico espacial y locutor

Me encanta el método científico: plantear una pregunta, investigar un poco, crear una teoría, recopilar datos / experimentar para probar la teoría, sacar conclusiones y compartir los resultados. Hace cien años, a Einstein se le ocurrió una teoría que describe las interacciones gravitacionales llamada relatividad general. Predijo una serie de fenómenos, pero el que aún se destacaba era la detección de ondas gravitacionales, ondas en la curvatura del espacio-tiempo. El experimento Bicep2 parece haber encontrado una huella de las ondas gravitacionales primordiales creadas en el universo muy, muy temprano.

El hecho de que se hayan encontrado estas ondas podría conducir a la verificación de otra teoría elaborada por Alan Guth en 1980. Esta teoría predijo la rápida expansión del universo temprano, denominada "inflación cósmica", un poco de engaño para explicar los primeros eventos posteriores al Big Bang. Una de las predicciones de la teoría fue la generación de ondas gravitacionales, con una firma distintiva. Parece que Bicep2 pudo haber encontrado los ecos de estas ondas.

A la espera de una verificación independiente, si se determina que estos resultados son correctos, el trabajo en cosmología continúa a buen ritmo. La convergencia en una gran teoría unificada de todo sigue siendo el santo grial, donde podemos comprender la interacción del universo en la escala de mecánica cuántica subatómica, así como las interacciones gravitacionales que ocurren en una escala cósmica, todo en un marco común.


Ep 102: Gravedad

Parece que te gusta una buena serie, así que aquí hay una nueva en la que hemos estado pensando. En el transcurso de las próximas 4 semanas, vamos a cubrir cada una de las fuerzas básicas del Universo. Y esta semana, vamos a empezar con la gravedad, la fuerza con la que estás más familiarizado. La gravedad ocurre cuando las masas se atraen entre sí, y podemos calcular su efecto con una precisión exquisita. Pero es posible que se sorprenda al saber que los científicos no tienen idea de por qué ocurre la gravedad.

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Una historia de nuestra comprensión de la gravedad:

Información general sobre la gravedad

Haz esto en casa: experimentos sobre la gravedad


Documentos que discuten experimentos de gravedad

Transcripción: Gravedad

Fraser Caín: Entonces, sigamos con el espectáculo. A todo el mundo parece gustarle nuestra serie, nuestro recorrido por el Sistema Solar, nuestra información sobre Marte. Tenemos una nueva serie para ti. Creo que la gente sigue preguntándose cuándo nos vamos a quedar sin temas. Bueno, aquí tienes.

Vamos a manejar todas las fuerzas del Universo y esta semana vamos a hacer gravedad. Aún no hemos cubierto ese programa y aquí hay más de cien programas. Vamos a comenzar con la gravedad, que es una fuerza con la que estás más familiarizado. Sabemos que la gravedad ocurre cuando las masas se atraen entre sí y podemos calcular su efecto con una precisión exquisita.

Sin embargo, es posible que se sorprenda al saber que los científicos no tienen ni idea de por qué ocurre la gravedad. Pamela, deja que & # 8217s regrese y solo imagínate que estás en tu clase y estarás presentando gravedad a la gente. ¿Por dónde suele empezar?

Dra. Pamela Gay: Por lo general, dejo algo fuerte porque les llama la atención. Pero no le haré eso a nuestros oyentes de podcast porque [Risas] eso podría ser cruel para sus tímpanos si usan audífonos.

Fraser: Preston, resista la tentación de hacer un ruido fuerte. [Risas] Es nuestro editor. Bueno.

Pamela: La forma en que somos más conscientes de la gravedad es cuando las cosas caen. Nos caemos. Caemos arriba, abajo y tú siempre caes hacia el centro de la Tierra. Caen las llaves, caen los libros y yo me caí de los caballos. Caer es una de estas cosas de las que la gente ha sido consciente desde que se puso de pie por primera vez.

La pregunta es ¿por qué? ¿Por qué siempre caigo hacia el suelo y no hacia el cielo? ¿Por qué las personas del Polo Norte y del Polo Sur permanecen adheridas a la superficie del planeta y no van volando al espacio exterior?

Fraser: Puedes imaginar que la gravedad es una fuerza tan omnipresente que los pueblos antiguos casi ni siquiera pensaban en ella. ¿Sabes? También es como ¿por qué cuando respiro hay aire en mis pulmones?

Es porque la gravedad mantiene la atmósfera al lado del planeta. Pero no es algo que siquiera considerarías. Entonces, ¿cuándo empezó la gente a darse cuenta de que estaba pasando algo?

Pamela: A menudo se abordaba como una cuestión filosófica. ¿Por qué hacia abajo y no hacia arriba? ¿Por qué no vamos al cielo? Esto se volvió aún más preocupante cuando descubrimos que el planeta es redondo.

Galileo hizo nuestras primeras investigaciones científicas sobre la gravedad. Todo el mundo ha escuchado las historias de Galileo arrojando cosas desde la Torre Inclinada de Pisa. Nadie sabe si eso sucedió realmente. Si sucedió, ciertamente no lo documentó. Galileo fue una de estas personas que documentó todo.

Pero lo que hizo fue hacer rodar las bolas por pendientes, lo que no suena tan emocionante, pero antes de las investigaciones de Galileo, teníamos a Aristóteles gobernando los días que gobiernan el día diciendo que los objetos que se ponen en movimiento siempre se detienen. Todo viene a descansar.

Esa era la forma en que veíamos el Universo porque la fricción hace que todo en el planeta Tierra se detenga generalmente. Pero Galileo, a través de investigaciones muy cuidadosas, se dio cuenta de que los objetos de diferentes masas, formas y tamaños solo caen de manera diferente como resultado de cómo interactúan con el aire.

Se dio cuenta de que si tienes un objeto que se mueve a través de una superficie lo suficientemente suave y baja por una pendiente, subiría una pendiente a la misma altura exacta en el otro lado. Pudo empezar a decir, la gravedad es lo que hace que la pelota baje por la pendiente y suba por el otro lado.

Fraser: Ahora, según recuerdo, Galileo usó rampas como una forma de ralentizar todo el proceso. Eso era imposible de medir si simplemente dejaba caer las cosas, pero si las colocaba en pendientes muy inclinadas, había una manera de que él pudiera comenzar a medir cuánto tiempo tardaban las cosas en caer.

Pamela: En realidad, estaba usando relojes de agua. Esta fue una forma realmente genial de decir básicamente si tiene un balde lleno de agua con un pequeño orificio y hay un área de superficie lo suficientemente grande para ese balde, porque el área de superficie juega un papel en cómo fluyen los fluidos & # 8211 y Es un período de tiempo lo suficientemente corto, luego abres la punta del cubo y dejas que el agua comience a caer en el equivalente de Galileo de un cilindro graduado. Mides el volumen de agua que sale mientras la pelota rueda por la pendiente.

Es un sustituto de la medición del tiempo. Si asume que cae una gota de agua por segundo y puede calcular el volumen de una gota de agua, el volumen se convierte en una medida de tiempo. Pudo calcular esta medida de aceleración de cómo caen las bolas. Tienen esta velocidad durante el primer segundo, esta velocidad mucho mayor durante el segundo segundo y una velocidad aún mayor durante el tercer segundo.

Pudo averiguar todo esto relacionado con el ángulo de la pendiente, todo tipo de matemáticas realmente interesantes. Hizo todo esto usando un reloj de agua que básicamente puso en marcha y se detuvo poniendo en marcha y deteniendo el agua.

Fraser: Entonces, la conclusión a la que llegó Galileo fue que la fuerza de la gravedad es la aceleración. Supongo que la gente siempre entendió eso intuitivamente. Te caes de una caída más alta y te lastimarás peor. [Risas] Pero no creo que se hayan dado cuenta exactamente de cómo funcionaba eso.

Pamela: Una de las cosas más interesantes de lo que hizo Galileo fue que reunió la noción completa de que dos objetos deberían caer al mismo ritmo una vez que se tiene en cuenta la resistencia del aire.

En realidad, esto había sido algo confuso antes porque si imaginas una barra cayendo, si la velocidad a la que algo cae es una función de la masa, entonces si reemplazas la barra en el centro de la barra con un trozo de cuerda, ¿cómo sabe eso caer? a la misma velocidad que las dos barras conectadas sólidamente versus por qué dos bolas sin una cuerda entre ellas caerían a una velocidad completamente diferente.

Fraser: Bien, y siempre puedes volver al ejemplo de una pelota versus una pluma, ¿verdad? I guess they thought that the feather was lighter and so it would fall more slowly while the ball would fall more quickly.

Pamela: Yes, and then you extend this idea out to small child falls slower than large man. Please don’t do that experiment. It didn’t really make sense though when you consider how does a man holding a child fall? Don’t do that experiment either.

Galileo basically determined it was just air, its okay and moved on. We still don’t know why though. This not knowing why was a problem that we continued to have for a while. Kepler came along and figured out equations to describe the motions of the planets. He didn’t know why they were doing it but we had equations.

Galileo described mathematically how objects go down inclines and go up the other side but didn’t know why. It was Newton who came along and according to the story saw an apple falls…

Fraser: Did this really happen – oh, he didn’t get hit on the head, right? [Laughter]

Pamela: No, apparently not. I mean, who knows? But according to the story Newton saw an apple fall, looked up and saw the Moon and decided that the Moon was falling. It was probably a more complicated train of logic.

He worked out that if the Moon was so far away and a certain size – well we don’t really need the size that much – but if the Moon is this far away, and the apple is this far away and we look at how they’re falling and the Earth is this size…..

Using lots of cool mathematics that you can actually do with basic algebra, he was able to figure out that the Moon was just falling around the planet and managing to miss it as it goes.

Fraser: I remember the thought experiment for this was where you imagine that you have a cannon and you’re firing it sideways and the ball hits the ground a few hundred meters away. Then you tilt the cannon back and you have much more powerful cannon and you shoot it and the ball will land further downfield.

You eventually get to the point where the cannon is strong enough that the ball just goes all the way around the Earth and lands back on the guy who fires it. Eventually you can keep shooting it harder and harder until the ball just goes all the way around and it’s falling but it’s like the Earth just keeps moving out of the way.

Pamela: Newton was able to take that idea and go: “Oh, Moon falling oh, Earth falling around Sun.” All of a sudden what we see is everything is falling but the curvature of its fall doesn’t allow it to ever make it to the object it is falling toward. That is a kinda neat image and he had really neat math to go with it.

Then unfortunately there are things like oh, the planet Mercury that screwed things up. It was all well and good we were able to find Uranus because of Newton’s applications.

There were two different scientists, two different mathematicians one in England who did lots of equations and threw out lots of possibilities and one in France, who basically did one calculation, threw out one possibility.

Then an observer went out and looked at the Frenchman’s coordinates and discovered a new planet. All of a sudden Uranus’ orbit made sense. But, Mercury’s didn’t so we waited around trying to figure out what is wrong with gravity.

Then Einstein came along. Einstein was able to give a reason for gravity existing. Look at gravity as a curvature to the Space Time Continuum.

Fraser: Whoa! Explain that.

Pamela: Yeah, I know, it’s a kinda big jump.

Fraser: Like I’m sure people thought well that was helpful. [Laughter] Thanks Einstein.

Pamela: Yeah, he just sorta reformulated how you’re supposed to visualize all of everything. He came along and said basically imagine Space as more dimensions such that the gridlines of our three-dimensional grid get tightly packed as you get closer to the Sun because you’re falling in toward the Sun.

Fraser: I think the analogy we always use is like a rubber sheet with a bowling ball on it.

Pamela: You can imagine that in our flattened Universe, our flattened Solar System, the Sun creates a deep pocket in our plastic sheet of Space. If you’ve ever seen crazy skateboarders, they can get themselves going around the edges of bowls.

If you watch crazy bicyclists, they’ll get themselves going around the inside of velodromes which are curved surfaces. You can imagine the planet Earth as it rolls along Space moving around the rim of some sort of Cosmic Velodrome where it is the Sun that defines the center of the particular curve that we’re orbiting around in.

Fraser: Just to backtrack for a second what exactly was the problem with Mercury?

Pamela: Its orbit wasn’t going at the correct rate. We have an entire show on Relativity that people can go back and listen to that brings this up. Basically the problem is that its orbit precesses in a way that we couldn’t fully account for.

Fraser: Ah, and the word precess?

Pamela: That means that it’s an ellipse and where the end of the ellipse is changes over time.

Fraser: Okay, no I see. You’ve got like an oval like a loop and Mercury is going around the loop and you’re sort of tracing this oval but the oval’s position is slowly rotating like a Spirograph.

Pamela: Yeah, the kid’s toy.

Fraser: Okay and so the position of where that oval of Mercury’s orbit was supposed to be didn’t match up what Newton had predicted. And Einstein said that’s because of Space Time Continuum and all that junk.

Pamela: Right and then some mathematician came along and beat them with a stick and said it’s an ellipse not an oval because mathematicians like to do that. So we have this problem with Newton’s understanding of gravity and Einstein came along and announced he had a new formulation. It’s all a curvature of Space. Gravity is nothing more than geometry.

The problem is gravity breaks at the beginning of the Universe and in centers of Black Holes. Things just get so dense that infinity signs start popping up and dividing by zeros starts popping up and much badness occurs.

About the time that people decided this is bad and math can’t handle this, we also started building a standard model of particle physics where we look at other forces – which we will talk about in succeeding shows – such as electricity and magnetism, which is the electromagnetic force.

We started looking at them and realized there were photons, particles of light! They carry these forces. They cause the electric force they cause the magnetic force. The electromagnetic is one force.

We realized other forces, the weak force, the strong force, also had little particles we call bosons that walk around at extraordinarily high speeds and carry the force with them and communicate from one point to another.

In this particle physics way of viewing Space and time in particle physics, people began to say there must be some particle, some boson – we called it a graviton – that is the little particle that carries the force of gravity that communicates gravity from one object to another.

This causes objects to realize that an object in one place has moved and the realization that this move affects the other objects to be affected differently by the one that has moved.

It raises all sorts of all interesting questions like how fast is gravity communicated. All these questions pointed at this little particle, this graviton that we can’t detect. This is one of the biggest annoyances in particle physics.

Fraser: Right, so we’ve moved on to the question that a 4 year-old would ask, right? Why is there gravity? [Laughter]

Pamela: And the answer if you listen to Einstein is it’s the curvature of Space and time.

Fraser: But why is there a curvature of Space and time?

Pamela: Because there is. Because mass for reasons that we can’t really explain causes the space around it to essentially grow hills and valleys that we can’t see except in the motions of objects.

Pamela: BECAUSE [Laughter] this is the way our Universe is ….

Fraser: [Laughter] The point you were saying is that the thought was maybe there are particles communicating back and forth somehow. And that’s the attraction, right, is our defining the curvature of Space and we have these gravitons.

Pamela: That’s the crazy thing though, once you invoke the gravitons you no longer need to invoke the curvature of Space. We now have two views.

Fraser: Right, the little rubber bands going almost going back and forth.

Pamela: Yeah and the crazy thing about this graviton notion is first of all it is a particle that has no mass because it moves at the speed of light as near as we can tell. There are gravitons flying through us all the time.

If we built a detector the size of Jupiter and planted it next to something like a neutron star we’d have to wait years before maybe one graviton caused something to happen in the detector. We couldn’t tell the difference between that event and what neutrinos cause.

Neutrinos really don’t interact with anything either so we can’t ever really detect gravitons, except maybe through radiation. This is one of the cool things about particle physics – particles are little blobs of stuff but they’re also waves.

We talked about the wave particle duality in a past episode. When we look out at things like pairs of neutron stars orbiting one another we see their orbits changing over time.

This is gravitational radiation at a certain level carrying energy away. This is gravity waves, something that LIGO and LISA are hoping to be able to detect. We are still working to get there.

Fraser: Okay so if the particle theory is right, if there are these gravitons then you have this gravitational radiation that would be given off. It should in some way be detected through some mechanism, right?

Pamela: Yeah through gravity waves.

Fraser: Right and that’s where we get the whole thing about gravity waves which I think we’ve done a show on that as well. So that’s the one camp and I guess would there be a way that you could detect these gravitons in a particle accelerator?

Fraser: No. Not at all? No chance?

Fraser: Not even theoretically? [Laughter] Okay, fine! I won’t go with that line of questioning anymore. Then the competing thought is that it’s just purely geometry. That is the way you might as well ask why are there triangles.

Pamela: The problem is that we know that our understanding of particle physics is incomplete and we know that the geometric understanding of gravity is incomplete because we can’t describe the insides of Black Holes without math breaking. We can’t describe the earliest moments of the Universe without math breaking.

Having gone from basically philosophical understandings of why things fall to mathematical descriptions of how things accelerate down inclines to Kepler’s equations describing planetary motion to Newton’s formulation of the Laws of Physics – or at least the Laws of Kinematics and Gravity – to Einstein’s formulations of Relativity, we’ve been building and building a more comprehensive view of gravity. But we’re still not complete.

We know that there still needs to be some way to unite Quantum Mechanics and gravity and actually be able to write down equations that describe the centers of Black Holes, to describe the earliest moments of the Universe.

We’re not there yet. There needs to be a new brilliant person born into the Universe, or at least born onto the planet Earth. Someone on another planet might already have figured this all out.

Fraser: Now how fast does gravity move? I know that Einstein made some predictions.

Pamela: The belief – and there is some evidence for this – is that gravity propagates at the speed of light. That if you suddenly blink the Sun into some other part of Space using a transporter beam technology that will never exist, the Earth would merrily continue happily orbiting as if nothing had happened for 8 minutes.

Then at the end of that time, we would cease to receive light and we would start moving in a straight line instead of on the orbit that we’re presently in because the Sun’s light would stop hitting us and the Sun’s gravitons would stop communicating with us that we should bend.

Fraser: What is the mechanism that they’re trying to test this out? I guess gravity waves is one?

Pamela: Gravity waves are one. A neat experiment that didn’t work – at least the theorists are saying the interpretation is wrong – was trying to look at how does light bend around objects?

And if that object that it’s bending around happens to be moving can we separate out the object’s motion and the rate at which light bends around it and learn anything meaningful?

There is a set of observations done in I believe 2002 where they looked at how Quasar light bent around Jupiter as Jupiter moved between a series of Quasars. The interpretations were messy.

The observations didn’t have high enough accuracy. People are trying to find new and interesting experimental ways and like you said, we’re looking for gravity waves.

Fraser: So the hope is that as a heavy object moves in front of some distant bright object you’ll get the light beam tweaked, not instantaneously but at the speed at which the gravity is propagating out from the planet itself.

Fraser: Okay, now I remember reading somewhere that gravity even though we think it is really strong, it’s actually kind of weak isn’t it?

Pamela: It is over large distances the force that tends to have the most affect on the Universe. On small scales, electrons and protons do not care about the gravitational pull of the one on the other.

All they care about is the electrical force. On small scales with small masses it’s extremely weak and the other three forces all dominate on the smallest scales.

Fraser: Sure, you could pick up an object from a table – pick up a coin from a table – and the nuclear force holding the atoms in your hand together vastly overpower the meager force of the entire Earth pulling on that coin on the table and just your fingers can overcome that just the force holding your fingers together.

Stick a fridge magnet on the fridge and bang you’ve got that little magnet completely overpowering the force of the Earth. It’s not until you get neutron stars in Black Holes where those forces are gone.

Pamela: An interesting thought experiment that basically came out of one of my classmate’s mathematical errors when I was in graduate school was to just sort out what is the self-gravity of the human body?

If you take a human body and pull all of its atoms apart so that it’s only held together with gravity all it would take is a breath to dispel all those atoms and shatter the human form.

So, it’s all the chemical bonds, all the molecular bonds, all these things that are because of the strong force, the weak force, the electromagnetic force, that hold you and I together and gravity that holds us on the planet.

Really, it takes a lot to tear apart a chemical bond and it’s only on the largest scales where chemistry no longer really has an effect that gravity has a chance to get noticed.

Fraser: Well, I think that covers our gravity side this week. Next week we will move on to the Electromagnetic Force and then we’ll do the Strong Nuclear Force and the Weak Force and then maybe on the last episode – the fifth episode of our four-part series – [Laughter] we’ll try and pull it all together.

We’ll talk about the search for the grand unified theory. Pamela if you figure it out – Nobel Prize.

Pamela: You know, it’s something to aim for but I don’t think we’re quite going to make it.

Fraser: Just do your research, [Laughter] get all your show notes prepared and if the solution seems to present itself then by all means put it in the show and we’ll look forward to a Nobel Prize. [Laughter]


This transcript is not an exact match to the audio file. It has been edited for clarity. Transcription and editing by Cindy Leonard.


Will radiation stop astronauts from going to the Moon? Or Mars?

The new radiation limit will still allow for astronauts to go to the Moon on the Artemis mission.

During the Apollo mission, the moonwalkers were still only exposed to a few dozen milliSieverts of radiation, meaning future lunar explorers could still spend some time on the surface with little ill-effect.

The new limit might pose a problem for future missions to Mars, however, as these will subject astronauts to around 1000mSv of radiation, unless NASA are able to reduce the radiation through technologies such as shielding.