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Tuesday, June 5, 2018

Frontiers of gravity

The most familiar force of nature may be the key to a fuller understanding of the universe.

In his famous cannonball thought experiment, Isaac Newton demonstrated that gravity gives rise to orbital motions. (Source: Newton 1729/1962, vol. 2.)

OF THE FOUR KNOWN fundamental forces which are responsible for the physics of our universe—the electromagnetic force, the weak and strong nuclear forces and the gravitational force—the latter stands out in many senses. The gravitational force, commonly known as gravity, was the first of these forces to be described mathematically. Gravity is also, by far, the least powerful of the fundamental forces: the second weakest force—the aptly named weak force that gives rise to radioactivity—is over a trillion trillion times stronger than the gravitational force. But the reason why gravity, a phenomenon that has been familiar to us for so long, can still be so special, is its connection to some of the biggest questions in modern physics.

Everyone on Earth continuously experiences our planet’s gravitational pull, and as a result, the physics of gravity are intrinsically embedded in our mental model of how the world works. Indeed, one of the first things that babies learn is how objects fall to the floor when thrown or dropped—a phenomenon from which they seem to derive some delight. This made it quite hard for us to realise that gravity actually is a physical force, and especially, that the force which makes objects fall here on Earth is the same one that keeps the skies above us in perpetual motion.

The name that inevitably comes to mind when talking of gravity is that of Isaac Newton. In the late seventeenth century, the legendary natural scientist came up with a tremendously ingenious thought experiment. He imagined a cannon standing on top of an extremely tall mountain. If a projectile were fired from this cannon towards the horizon, it would travel horizontally while also falling by effect of gravity, before eventually landing. If the cannon’s power were increased, the projectile would fly horizontally further away, travelling greater distance than before. And, if the canon’s power were to be increased infinitely, the projectile would be fired with such force that it would never stop falling—always travelling horizontally around the Earth without ever hitting the ground. From this idea, Newton rightly concluded that the gravitational force which attracts objects towards the Earth is what keeps the Moon in orbit around us: the Moon is just forever falling towards the Earth.

By extending his logic, Newton declared the gravitational force to be also responsible for the orbits of the planets around the Sun. In his law of universal gravitation, he described gravity as a universal force between every two bodies (or particles) in the universe, whose intensity increases in proportion to the bodies’ masses and decreases in proportion to the square of the distance between them—that is, if the distance between two objects is doubled, then the gravitational force between them becomes four times weaker. Newton considered gravity an instantaneous and boundless force; according to him, the pull exerted by an object travels instantly and does not stop at a given distance, but it becomes weaker and weaker until being impossible to detect.

Newton’s relatively simple mathematical formula could explain such mysteries as the elliptical shape of the planets’ orbits and the tides of Earth’s oceans. His theory, however, failed to explain the nature of gravitation itself—why it exists. Furthermore, Newtonian gravity appeared as a mystical force capable of working instantly across empty space, and this was not happily accepted by contemporary scientists. Most European scholars at the time subscribed to René Descartes’s theory of planetary motion, which presented the planets’ orbits as the product of massive vortices swirling within an invisible fluid that filled the universe. But Newton’s theory would eventually prove more accurate than Descartes’s, forcing scientists to face the reality of an empty universe.

A successful explanation of the nature of gravity arrived in the early twentieth century, thanks to Albert Einstein. The iconic physicist’s celebrated general theory of relativity was truly ground-breaking, completely transforming the way we understand both the largest bodies and the smallest particles in the universe. Einstein’s theory built on the now popular concept of space-time: a mathematical model where the three dimensions of space and the one dimension of time are intertwined into a single four-dimensional continuum, hence defying our false intuition of space and time as separate aspects of reality. This model allowed Einstein to present gravity not as an attractive force exerted by particles or objects, but as a property of space-time itself, which arises from its distortion. We can think of this as if bodies with a very large mass, such as a planet or a star, were ‘bending’ the space-time fabric of the universe around them, just like a stone would deform an elastic rubber band by means of its weight. Gravity as we perceive it is a consequence of this deformation of space-time, and not a force that ‘pulls’ us towards the Earth; rather, it is the ‘warped’ space-time around the Earth that is ‘pushing’ us against it.

General relativity was transformative in many ways. It not only provided a long-sought explanation for the mysterious force of gravity and a better understanding of its properties—such as its actual speed, which is exactly that of light—but it also predicted novel physical phenomena, like black holes and gravitational waves, whose existence physicists have only been able to confirm many decades later. (In fact, gravitational waves were first detected in 2016, a hundred years since general relativity had predicted them.) Einstein’s theory also solved some puzzling astronomical mysteries, such as that of the orbital motion of Mercury. Astronomers had long identified a discrepancy between the observed motion of this planet and the one predicted by Newtonian law; as a consequence, the nineteenth-century mathematician Urbain Le Verrier posited the existence of Vulcan, a new planet between the Sun and Mercury whose gravitational pull altered Mercury’s orbit. Vulcan’s existence seemed the only explanation for the inconsistencies in Mercury’s motion; moreover, a similar reasoning had previously led Le Verrier to successfully predict the position of the planet Neptune, precipitating its discovery. However, the arrival of general relativity showed that Mercury’s behaviour could be accounted for without the need of an additional planet, thus nullifying Le Verrier’s hypothesis.

If twentieth-century physics was witness to revolutionary breakthroughs sparked by minds such as Einstein’s, today’s physics is grappling with a myriad of daunting mysteries—the greatest of which seem inextricably linked to gravity. In particular, astronomical observations over the last century have confronted physicists with two extremely puzzling phenomena. The first harks back to Edwin Hubble’s discovery that galaxies lying further away from our own are moving away from us at a greater speed. This led Hubble to conclude that the universe is expanding, and later research has showed that the speed of this expansion is actually increasing. Such accelerated inflation of the universe implies the existence of a force that acts to counteract gravity, as otherwise the gravitational pull of galaxies would restrain the expansion. This mysterious anti-gravitational force was given the name of dark energy, and apart from the rate of expansion of the universe, scientist have so far failed to obtain any direct evidence of its existence.

The other great astronomical mystery of our time, together with dark energy, is suitably named dark matter—although ‘invisible matter’ would be more accurate. The notion of dark matter stems from the observation that gravity seems to be persistently stronger on the outskirts of galaxies than dictated by general relativity. In other words, the stars in almost every galaxy are rotating around the galactic centre much faster than they should, which suggests that galaxies have more mass than the one in the matter we can see. To account for this missing mass, researchers proposed the existence of dark matter, a kind of matter which does not interact with conventional matter electromagnetically—and therefore is invisible to our eyes and telescopes, which can only detect electromagnetic radiation. Dark matter does, however, display gravitational interactions with visible matter, which is the reason why galaxies seem to have more mass than we can see.

Dark matter is thought to surround galaxies in a diffuse halo, which is shown in black in this artist’s view. (Credit: A. Evans, adapted by J. Freundlich & F. Ducouret.)

When physicists calculated how much dark matter would be needed to account for the excess mass, they were shocked to find that dark matter would outweigh all the visible matter in the universe by a factor of five to one; in other words, if dark matter does exist, then five-sixths of the universe are invisible to us. And more intriguingly, although dark matter is indirectly supported by plenty of astronomical observations, it resembles dark energy in its dogged resistance to direct detection.

If decades of research have yielded no direct evidence of dark energy and dark matter, should we believe in them? Many scientists argue that there is no reason why we should expect visible matter to be the only kind of matter there is. Our eyes have evolved to detect the electromagnetic interactions of matter—that is, the way in which matter produces or reflects light. If there existed a kind of matter incapable of electromagnetic interaction, then such matter would be invisible to us—but that could hardly be an argument against its existence.

Some physicists, on the other hand, regard dark matter as a modern-day analogue of Vulcan: it could be a false solution to fundamental flaws in our understanding of how gravity operates. Just as it happened to Vulcan, an improved theory of gravity may be able to explain all our astronomical observations without being contingent on elusive particles; and indeed, several alternative theories of gravitation have seen the light over the last decades, each aspiring to supersede general relativity by successfully explaining every existing observation. The most popular of these is modified Newtonian dynamics, or MOND. This theory proposes that, over relatively small distances, gravity behaves according to Newtonian law, decreasing in proportion to the square of the distance; however, over vast cosmic distances—like that between the centre of a galaxy and its edge—gravity ‘switches’ to a different formula, weakening much more slowly than Newton and Einstein predicted. This reformed law of gravitation would explain why galactic outskirts present stronger gravity than expected, without the need for massive amounts of dark matter to supply additional mass.

However, while dark matter and dark energy continue to dodge detection, Einstein’s theory of gravity is proving extremely robust. In fact, the latest measurements of gravitational waves have already invalidated some alternative gravity theories. Although MOND has yet to be proven right or wrong, its immediate future seems in jeopardy: recent discoveries of galaxies composed almost exclusively of dark matter, as well as galaxies with practically no dark matter in them, both constitute a serious challenge for theories like MOND. If gravity is just behaving differently than we believe, as these theories propose, then this modified gravity should still be universal, implying that the proportion of dark matter estimated in each galaxy should be roughly the same, and extremely ‘dark’ or ‘luminous’ galaxies such as the ones discovered should not exist. On the other hand, if dark matter does exist, these exotic galaxies will allow a more detailed study of its gravitational properties.

Our understanding of gravity has been transformed and transformative over the last three centuries. Notwithstanding, physics now seems to be at the crossroads between a redefinition of gravity and a belief in mysterious particles and forces. But we should not expect this uncertainty to linger for much longer. At this very moment, researchers are applying the most advanced technology on Earth and in space in unrelenting efforts to detect even the smallest signal confirming the existence of dark matter and dark energy, and searching for any minute crack in general relativity’s predictions, which could provide the missing piece in the puzzle. But so far, Einstein’s equations remain unbowed. And if Einstein was not mistaken, then the only explanation for what we see in the universe must be the existence of forces and particles which, thus far, we are largely unable to measure or comprehend. Whichever the case, the uncertainty will likely be resolved sooner than later, marking the dawn of the next revolution in our understanding of the cosmos.

Castelvecchi, D. How gravitational waves could solve some of the Universe’s deepest mysteries. Nature (2018).
Randall, L. What is dark matter? Nature (2018).
Wolchover, N. The case against dark matter. Quanta Magazine (2016).
Sokol, J. A victory for dark matter in a galaxy without any. Quanta Magazine (2018).
Moskvitch, K. Troubled times for alternatives to Einstein’s theory of gravity. Quanta Magazine (2018).

Las fronteras de la gravedad

La más familiar de las fuerzas naturales podría ser la clave para una mayor comprensión del universo.

En su célebre experimento teórico de la bala de cañón, Newton demostró cómo la gravedad da lugar al movimiento orbital. (Fuente: Newton 1729/1962, vol. 2.)

DE LAS CUATRO FUERZAS fundamentales responsables, hasta donde sabemos, de la física de nuestro universo —la fuerza electromagnética, las fuerzas nucleares débil y fuerte y la fuerza gravitatoria—, esta última destaca en muchos sentidos. La fuerza gravitatoria, comúnmente conocida como gravedad, fue la primera de estas fuerzas en ser descrita matemáticamente. La gravedad es también, con diferencia, la menos potente de las fuerzas fundamentales: la segunda fuerza más débil —la aptamente llamada fuerza débil que da lugar a la radiactividad— es más de un billón de billones de veces más potente que la gravedad. Pero la razón de que la gravedad, ese fenómeno que nos es familiar desde hace tanto, siga siendo tan especial, es su profunda conexión con algunas de las grandes preguntas de la física moderna.

Todos nos encontramos bajo el efecto constante de la atracción gravitatoria terrestre y, en consecuencia, la gravedad está intrínsecamente imbuida en nuestro modelo mental de cómo funciona el mundo. Una de las primeras cosas que los bebés aprenden es cómo los objetos caen al suelo al ser lanzados o soltados —un fenómeno del que parecen obtener gran deleite—. Este hecho hizo difícil para nosotros el darnos cuenta de que la gravedad realmente es una fuerza y, especialmente, de que la fuerza que hace caer los objetos aquí en la Tierra es la misma que mantiene el firmamento sobre nuestras cabezas en movimiento.

El nombre que inevitablemente viene a la mente al hablar de gravedad es el de Isaac Newton. A finales del siglo XVII, el legendario científico ideó un experimento teórico tremendamente ingenioso. Newton imaginó un cañón situado sobre una montaña extremadamente alta; si un proyectil fuese disparado por este cañón hacia el horizonte, viajaría horizontalmente mientras que también caería por efecto de la gravedad, hasta finalmente tocar tierra. Si aumentásemos la potencia del cañón, el proyectil viajaría más lejos, recorriendo más distancia horizontal que antes; y si pudiéramos aumentar la potencia del cañón de manera infinita, el proyectil sería propulsado con tal fuerza que jamás cesaría de caer: permanecería para siempre viajando horizontalmente alrededor de la Tierra, sin jamás aterrizar. A partir de esta idea, Newton concluyó, acertadamente, que la fuerza gravitatoria que atrae los objetos hacia la Tierra es la misma que mantiene la Luna en órbita: la Luna está simplemente cayendo eternamente hacia la Tierra.

Extendiendo este razonamiento, Newton declaró que la fuerza gravitatoria es causa no sólo del movimiento de la Luna, sino también de las órbitas de los planetas alrededor del Sol. En su ley de gravitación universal, Newton describió la gravedad como una fuerza omnipresente, existente entre todo par de cuerpos (o partículas) en el universo, cuya intensidad aumenta en proporción a las masas de estos cuerpos y decrece en proporción al cuadrado de la distancia que los separa —es decir, al doblar la distancia entre dos objetos, la atracción entre ellos se vuelve cuatro veces más débil—. Newton consideraba la gravedad como una fuerza instantánea e ilimitada; según él, la atracción ejercida por un objeto se transmite de forma instantánea y no termina a una distancia específica, sino que se torna más y más débil hasta ser indetectable.

La fórmula matemática de Newton, con su relativa sencillez, fue capaz de resolver misterios tales como la forma elíptica de las órbitas de los planetas y los ritmos de las mareas. Su teoría, no obstante, era incapaz de explicar la naturaleza misma de la gravitación —el porqué de su existencia—. Asimismo, la gravedad newtoniana daba la impresión de ser una fuerza mística capaz de actuar de forma instantánea a través del vacío, propiedades que no fueron fácilmente aceptadas por los científicos de la época. La mayoría de académicos europeos defendían la teoría del movimiento planetario propuesta por René Descartes, la cual presentaba las órbitas de los planetas como el producto de inmensos vórtices giratorios que ocurrían en un fluido invisible que llenaba el universo. Pero la teoría de Newton acabaría demostrando ser más precisa que la de Descartes, obligando a los científicos a afrontar la realidad de un universo vacío.

Una explicación triunfante de la naturaleza de la gravedad llegaría a principios del siglo XX, gracias a Albert Einstein. La celebrada teoría general de la relatividad del icónico científico fue realmente revolucionaria, transformando completamente la forma en que entendemos tanto los cuerpos más grandes como las partículas más pequeñas del universo. Einstein basó su nueva explicación de la gravedad en el ahora popular concepto de espacio-tiempo: un modelo matemático en el que las tres dimensiones del espacio y la única dimensión del tiempo se entrelazan en un solo continuo tetradimensional, desafiando nuestro errado entendimiento intuitivo del espacio y el tiempo como aspectos separados de la realidad. Este modelo permitió a Einstein presentar la gravedad no como una fuerza atractiva ejercida por partículas u objetos, sino como una propiedad del propio espacio-tiempo que se origina cuando éste se distorsiona. Podemos visualizar esto como si aquellos cuerpos con una masa extrema, como nuestro planeta, ‘doblasen’ el tejido espacio-temporal del universo a su alrededor, del mismo modo que una piedra deformaría una banda de goma elástica con su peso. La gravedad tal como la percibimos es un efecto de esta distorsión del espacio-tiempo, y no una fuerza que ‘tira’ de nosotros hacia la Tierra; más bien, es el espacio-tiempo deformado alrededor de la Tierra el que nos ‘empuja’ hacia ella.

La relatividad general fue transformadora en muchos sentidos. No sólo proporcionó una largamente esperada explicación para la misteriosa fuerza de la gravedad y un mejor entendimiento de sus propiedades —tales como su velocidad, que no es instantánea, sino igual a la de la luz—; también predijo fenómenos físicos inéditos, como los agujeros negros y las ondas gravitatorias, cuya existencia no pudo ser confirmada hasta muchas décadas después. (De hecho, las ondas gravitatorias fueron detectadas por primera vez en 2016, cien años después de haber sido predichas por la relatividad general.) La teoría de Einstein también resolvió algunos misterios astronómicos, como el movimiento orbital de Mercurio. Los astrónomos habían identificado tiempo atrás una discrepancia entre las observaciones del movimiento de este planeta y las predicciones newtonianas; como consecuencia, en el siglo XIX, el matemático Urbain Le Verrier propuso la existencia de Vulcano, un planeta nuevo situado entre el Sol y Mercurio, cuya atracción gravitatoria había alterado la órbita de Mercurio. La existencia de Vulcano parecía ser la única explicación para las inconsistencias observadas en Mercurio; es más, un razonamiento similar había llevado anteriormente a Le Verrier a predecir con éxito la posición del planeta Neptuno, precipitando así su descubrimiento. Sin embargo, la llegada de la relatividad general demostró que el comportamiento de Mercurio podía ser descrito sin necesidad de un planeta adicional, refutando así la hipótesis de Le Verrier.

Si bien la física del siglo XX fue testigo de avances revolucionarios iniciados por mentes como Einstein, la física moderna tiene una miríada de nuevos misterios con los que lidiar, los mayores de los cuales están inextricablemente conectados con la gravedad. En particular, observaciones astronómicas a lo largo del último siglo han puesto de relieve dos fenómenos extremadamente desconcertantes. El primero se remonta al descubrimiento, por parte de Edwin Hubble, de que las galaxias que se encuentran más lejos de la nuestra se alejan de nosotros a mayor velocidad. Esto llevó a Hubble a concluir que el universo se está expandiendo y, de hecho, investigaciones posteriores han demostrado que esta expansión se está acelerando. Esta inflación cósmica acelerada implica la existencia de una fuerza que actúa en contra de la gravedad, dado que, de lo contrario, la atracción entre las diferentes galaxias frenaría la expansión. La misteriosa fuerza antigravitatoria fue bautizada como energía oscura y, aparte de por la tasa de expansión del universo, los científicos no han obtenido aún ninguna prueba directa de su existencia.

El otro gran misterio astronómico de nuestro tiempo, junto con la energía oscura, recibe el apropiado nombre de materia oscura —aunque ‘materia invisible’ sería más correcto—. El concepto de materia oscura surgió a raíz de la observación de que las regiones externas de las galaxias exhiben señales de una gravitación consistentemente más intensa de lo previsto según la relatividad general. En otras palabras, parece que las estrellas en casi cada galaxia rotan alrededor del centro galáctico mucho más rápido de lo que deberían, lo que sugiere que las galaxias contienen más masa de la que hay en la materia que podemos ver. Para explicar este exceso de masa, los astrofísicos propusieron la existencia de la materia oscura, un tipo de materia que no interactúa con la materia ordinaria de forma electromagnética, y resulta, por tanto, invisible a nuestros ojos y telescopios, los cuales solamente pueden detectar radiación electromagnética. La materia oscura, sin embargo, sí interactúa gravitatoriamente con la materia visible, siendo éste el motivo por el que las galaxias parecen tener más masa de la que podemos ver.

Se piensa que la materia oscura forma un halo difuso en torno a casi todas las galaxias, el cual se muestra en negro en esta ilustración artística. (Imagen: A. Evans, adaptada por J. Freundlich & F. Ducouret.)

Tras calcular cuánta materia oscura se necesitaría para justificar el exceso de gravedad observado, los físicos quedaron conmocionados al descubrir que esta clase de materia superaría en masa a toda la materia visible del universo por un factor de cinco a uno; en otras palabras, si la materia oscura realmente existe, cinco sextos del universo son invisibles para nosotros. Más intrigante aún es que, aunque la materia oscura cuenta con el apoyo indirecto de multitud de observaciones astronómicas, se asemeja a la energía oscura en su obstinada resistencia a todo intento de detección directa.

Si décadas de investigación no han proporcionado evidencia directa de la existencia de la energía oscura y la materia oscura, ¿deberíamos creer en ellas? Muchos científicos opinan que no hay motivo para suponer que la materia visible debería ser el único tipo de materia que existe. Nuestros ojos han evolucionado para detectar interacciones electromagnéticas en la materia —es decir, la forma en que la materia produce o refleja luz—. Si existiese una clase de materia incapaz de interactuar electromagnéticamente, tal materia sería invisible para nosotros, pero esto difícilmente constituiría un argumento en contra de su existencia.

Algunos físicos, por otra parte, consideran la materia oscura como una versión moderna de Vulcano: podría tratarse de una solución falsa a un defecto fundamental en nuestra comprensión de cómo opera la gravedad. Tal como ocurrió con Vulcano, una teoría mejorada de la gravitación podría ser capaz de explicar todas las observaciones astronómicas sin depender de partículas invisibles; y, en efecto, varias teorías alternativas de la gravedad han visto la luz en las últimas décadas, cada una aspirando a reemplazar a la relatividad general al ser capaz de explicar con éxito cada observación. La más popular de estas teorías es la dinámica newtoniana modificada, o MOND (del inglés modified Newtonian dynamics). Esta teoría propone que, en distancias relativamente cortas, la gravedad opera de acuerdo a la ley de Newton, disminuyendo en proporción al cuadrado de la distancia; sin embargo, en vastas distancias cósmicas —tales como la que hay entre el centro de una galaxia y su borde— la gravedad ‘cambia’ a una fórmula distinta, disminuyendo mucho más lentamente de lo predicho por Newton y Einstein. Esta ley reformada de la gravitación explicaría por qué las regiones externas de las galaxias presentan una gravedad más intensa de la que deberían, sin necesidad de cantidades masivas de materia oscura para justificar esta gravedad adicional.

No obstante, mientras que la materia oscura y la energía oscura permanecen indetectables, la teoría de la relatividad de Einstein está demostrando ser extremadamente robusta. De hecho, las últimas mediciones de ondas gravitatorias ya han invalidado algunas teorías alternativas de la gravedad. Aunque aún queda por demostrar si MOND es cierta, su futuro inmediato no parece muy prometedor: recientes descubrimientos de galaxias compuestas casi exclusivamente de materia oscura, así como galaxias prácticamente carentes de materia oscura, constituyen un serio desafío a teorías como MOND. Si, como defienden estas teorías, la gravedad simplemente se comporta de manera diferente a como pensamos, esta gravedad modificada debería seguir siendo universal; esto implica que la proporción de materia oscura estimada en cada galaxia debería ser aproximadamente igual, y galaxias extremadamente ‘oscuras’ o ‘luminosas’ como las recientemente descubiertas no deberían existir. Por otra parte, si la materia oscura realmente existe, tales galaxias exóticas permitirían un estudio detallado de sus propiedades gravitatorias.

Nuestro entendimiento de la gravedad ha sido transformado y transformador a lo largo de los últimos tres siglos. Sin embargo, la física parece estar ahora en la encrucijada entre una redefinición de la gravedad y la creencia en fuerzas y partículas misteriosas. Pero no hemos de esperar que esta incertidumbre se prolongue mucho más. En este mismo momento, investigadores de todo el mundo están aplicando las últimas tecnologías en la Tierra y el espacio, en un incesante esfuerzo por detectar una señal que confirme la existencia de la materia oscura y la energía oscura, y buscando la más mínima grieta en las ecuaciones de la relatividad general, la cual podría ofrecer la última pieza del puzle. Pero, de momento, las ecuaciones de Einstein permanecen invictas. Y si Einstein no estaba errado, entonces la única explicación posible a lo que vemos en el universo es la existencia de partículas y fuerzas que, por ahora, somos en gran parte incapaces de medir o comprender. En cualquier caso, la incertidumbre probablemente se disipará más pronto que tarde, marcando el inicio de la próxima revolución en nuestro entendimiento del cosmos.

Castelvecchi, D. How gravitational waves could solve some of the Universe’s deepest mysteries. Nature (2018).
Randall, L. What is dark matter? Nature (2018).
Wolchover, N. The case against dark matter. Quanta Magazine (2016).
Sokol, J. A victory for dark matter in a galaxy without any. Quanta Magazine (2018).
Moskvitch, K. Troubled times for alternatives to Einstein’s theory of gravity. Quanta Magazine (2018).