Para que un estudiante de secundaria pueda entender, ¿qué son las ondas gravitacionales?

Answer 1

Comencemos por la primera línea del artículo de Wikipedia sobre ondas gravitacionales: “las ondas gravitacionales son ondas en la curvatura del espacio-tiempo”. Podemos desempaquetar esta definición en dos piezas clave:

1. Las ondas gravitacionales son ondas …

   Cada tipo de ola puede considerarse como ondas de algún tipo. Las ondas son lo que obtienes cuando lanzas una piedra en un estanque, tocas una campana o tocas una cuerda de guitarra. Usted perturba estos sistemas físicos de alguna manera, y se llevan la perturbación a una distancia considerable. Las ondas gravitacionales son causadas por la perturbación de una fuente de gravedad (por ejemplo, una gran masa). Si sacudiera la masa de la manera correcta, crearía una perturbación gravitacional que se propagaría de manera similar a las ondas en un estanque. Lo que nos lleva a la otra mitad de la definición …

2. … en la curvatura del espacio s̶p̶a̶c̶e̶t̶i̶m̶e̶ .

   Cambié la definición para hacerlo un poco menos confuso, pero no perderemos nada a este nivel. Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio mismo. Y no me refiero al espacio como en el lugar donde se encuentra la Luna, lo digo en el sentido de que hay 18 pulgadas de espacio entre su cara y la pantalla de su computadora. Le tomó a la brillante mente de Einstein darse cuenta de que el espacio y la gravedad (la fuerza que mantiene sus pies firmemente enraizados en el piso) están íntimamente conectados. Desafortunadamente, las matemáticas se vuelven un poco complicadas en este punto, por lo que tenemos que confiar en analogías bastante artificiales o tendrá que aceptar algunos de estos resultados por fe. En la Tierra, el espacio está muy cerca de “plano”. Si dibujara una cuadrícula de 1 pie X 1 pie cuadrados en el suelo con tiza, el área cerrada en cada uno sería exactamente 1 pie cuadrado. Sin embargo, en presencia de una onda gravitacional (bastante grande), esto es lo que sucedería con su cuadrícula

   

   Las ondas gravitacionales distorsionan las distancias entre puntos adyacentes. Si te acostaras en tu cuadrícula de tiza, sentirías una ligera sensación de estiramiento / compresión al pasar la ola a través de ti. En realidad, esto está muy cerca del método que usan los físicos para tratar de detectar ondas gravitacionales aquí en la Tierra.

Entonces, ¿cómo combinamos los puntos (1) y (2)? Aquí hay una animación de una onda gravitacional que se mueve de derecha a izquierda, como una onda en un estanque.

Answer 2

En la teoría de campo cuántico (la única teoría válida, IMO) hay cuatro tipos de campos de fuerza. Dos de ellos nos son familiares porque los vemos trabajando todos los días; son el campo electromagnético y el campo gravitacional. (Los otros dos, llamados “fuerte” y “débil”, se encuentran principalmente en los núcleos atómicos). Estos campos existen en todas partes; Son una propiedad del espacio. El primero interactúa con otros campos que tienen una carga eléctrica, y el segundo interactúa con todo. Por ejemplo, se pueden crear excitaciones en el campo EM (es decir, ondas) moviendo un objeto cargado hacia adelante y hacia atrás, como en una antena transmisora. Las excitaciones en el campo gravitacional se pueden crear moviendo algo grande, como un planeta o una estrella, de un lado a otro.
Considere las ondas de agua: si mueve su mano o una tabla de un lado a otro vigorosamente en el agua, puede ver ondas de agua que se propagan hacia afuera. O considere la superficie de un altavoz que se mueve rápidamente de un lado a otro. No es difícil entender cómo esto crea ondas de sonido en el aire, a pesar de que no podemos verlas.
El principio es el mismo con ondas en los campos EM y gravitacionales. Para comprender esto mejor, consulte la sección sobre ondas gravitacionales al final del Capítulo 2 (Gravedad: el campo “azul”) de mi libro (haga clic en Comprender la física a través de la teoría cuántica de campos).

Answer 3

Si quiere entenderlo, tendrá que ser más ambicioso que aceptar los “términos simples”. Tales términos son realmente inadecuados para explicarlo, aunque la respuesta de Victor Toth en el hilo relacionado “¿Qué son las ondas gravitacionales” es un esfuerzo noble.

Para comprender realmente qué son las ondas gravitacionales, debe 1) comprender la diferencia entre ‘espacio’ y ‘espacio-tiempo’ y 2) saber lo que significa que un campo tenga una ecuación de onda.

Una vez que los tenga, tiene una muy buena posibilidad de comprenderlos, pero no se avergüence ni se frustre si incluso no los tiene: son realmente difíciles de entender.

Finalmente, también debe tener en cuenta que puede comprender mucho sobre la naturaleza, la física y el universo sin comprender realmente estas ondas: son tan débiles que nunca las hemos detectado directamente. Otro ejemplo de lo débiles que son: ¡toda la salida de ondas gravitacionales del Sol es de solo 25 vatios!

Answer 4

Una buena analogía es que el espacio-tiempo es como una piscina. Si coloca su dedo en el agua y lo hace girar, su movimiento perturbará el agua y veremos olas en un medio que de otra manera estaría quieto. Eso es exactamente lo que sucede cuando las masas que se mueven en el espacio y el tiempo generan ondas gravitacionales.

Answer 5

Piense en la estela de un bote en el agua, el movimiento del bote desplaza el agua y crea una ola en el agua.

Una onda de gravedad es similar, sin embargo, la onda es creada por un elemento con una gran masa que mueve una fuente de gravedad existente.

Por ejemplo, dos agujeros negros en un sistema binario desplazan cada uno a la gravedad.

La razón por la que las ondas gravitatorias son difíciles de detectar es la gran longitud de onda (potencialmente mucho más grande que la Tierra) y la muy baja resistencia a las ondas gravitacionales en el área alrededor de la Tierra.