¿Quién descubrió la Gravedad?

Existen cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan todas las interacciones en el Universo. Son la nuclear débil, la nuclear fuerte, el electromagnetismo y la gravedad. De éstas, es posible que la gravedad sea la más misteriosa. Aunque se entiende desde hace tiempo cómo funciona esta ley de la física a gran escala (gobernando nuestro Sistema Solar, las galaxias y los supercúmulos), sigue siendo un misterio cómo interactúa con las otras tres fuerzas fundamentales.

Naturalmente, los seres humanos hemos tenido un entendimiento básico de esta fuerza desde tiempos inmemoriales. Y en lo que respecta a nuestra comprensión moderna de la gravedad, hay que concederle el crédito a un hombre que descifró sus propiedades y la forma en que gobierna todas las cosas grandes y pequeñas: Sir Isaac Newton. Gracias a este matemático y físico inglés del siglo XVII, nuestra comprensión del Universo y de las leyes que lo rigen cambió para siempre. Isaac Newton descubrió la gravedad.

Aunque a todos nos resulta familiar la imagen icónica de un hombre sentado debajo de un manzano y cayéndole uno de sus frutos en la cabeza, las teorías de Newton sobre la gravedad también representaron una culminación de años de investigación, que a su vez se basaron en siglos de conocimiento acumulado. Newton presentó estas teorías en su obra maestra Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (“Principios Matemáticos de la Filosofía Natural”), que se publicó por primera vez en 1687.

En este volumen, Newton expuso lo que acabaría conociéndose como sus Tres Leyes del movimiento, que se basaron en las Leyes del Movimiento Planetario de Johannes Kepler, además de en su propia descripción matemática de la gravedad. Estas leyes sentarían los cimientos de la mecánica clásica, y permanecerían indiscutidas durante siglos, en concreto hasta el siglo XX y el surgimiento de la Teoría de la Relatividad de Einstein.

La física en el siglo XVII:

El siglo XVII fue una época muy favorable para las ciencias, con importantes logros en matemáticas, física, astronomía, biología y química. Algunos de los grandes progresos realizados en este periodo incluyen el desarrollo del modelo heliocéntrico del Sistema Solar por Nicolás Copérnico, el trabajo pionero con los telescopios y la astronomía observacional de Galileo Galilei, y el desarrollo de la óptica moderna.

También fue durante este periodo cuando Johannes Kepler desarrolló las Leyes del Movimiento Planetario. Formuladas entre 1609 y 1619, estas leyes describían el movimiento de los planetas conocidos por entonces (Mercurio, Venus, la Tierra, Marte, Júpiter y Saturno) alrededor del Sol. Afirmaban que:

• Los planetas se mueven alrededor del Sol en elipses, con el Sol en uno de los focos.
• La línea que conecta el Sol con un planeta barre superficies iguales en tiempos iguales.
• El cuadrado del periodo orbital de un planeta es proporcional al cubo (tercera potencia) de la distancia media desde el Sol (o, en otras palabras, del semieje mayor de la elipse, la mitad de la suma de la menor y la mayor distancia desde el Sol).
• Estas leyes resolvían los problemas matemáticos restantes planteados por el modelo heliocéntrico de Copérnico, eliminando así toda duda de que era el modelo correcto del Universo. Trabajando a partir de estas leyes, Sir Isaac Newton empezó a considerar la gravitación y su efecto en las órbitas de los planetas.

Las Tres Leyes de Newton:

En 1678, Newton sufrió un colapso nervioso total debido al exceso de trabajo y a una contienda con su colega astrónomo Robert Hooke. Durante los siguientes años, dejó de escribirse con otros científicos, excepto cuando ellos iniciaban la conversación, y renovó su interés por la mecánica y la astronomía.

En el invierno de 1680-81, la aparición de un cometa, sobre la cual se escribió con John Flamsteed (Astrónomo Real de Inglaterra), también renovó su interés por la astronomía.

Tras analizar las Leyes del Movimiento de Kepler, Newton desarrolló una prueba matemática de que la forma elíptica de las órbitas planetarias sería el resultado de una fuerza centrípeta inversamente proporcional al cuadrado del vector del radio. Newton comunicó estos resultados a Edmond Halley (descubridor del “Cometa Haley”) y a la Real Sociedad en su De motu corporum in gyrum.

Este tratado, publicado en 1684, contenía la semilla de su obra maestra, los Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, publicados en julio de 1687 y que contenían las tres leyes del movimiento de Newton, que afirman que:

• Cuando se observa en un sistema de referencia inercial, un objeto permanece en reposo o continúa moviéndose a una velocidad constante, a menos que una fuerza externa actúe sobre él.
• La suma vectorial de las fuerzas externas (F) que actúan sobre un objeto es igual a la masa (m) de ese objeto multiplicada por el vector aceleración (a) del objeto. En su forma matemática, esto se expresa como: F=ma.
• Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre un segundo cuerpo, el segundo cuerpo ejerce simultáneamente sobre el primero una fuerza igual en magnitud y opuesta en dirección.

Juntas, estas leyes describían la relación entre cualquier objeto, las fuerzas que actuaban sobre él y el movimiento resultante, colocando los cimientos de la mecánica clásica. Las leyes también permitieron a Newton calcular la masa de cada planeta, el achatamiento de la Tierra en los polos y su ensanchamiento en el ecuador, y cómo el empuje gravitacional del Sol y de la Luna generan las mareas de la Tierra.

En el mismo trabajo, Newton presentó un método de análisis geométrico similar al cálculo usando las “primeras y últimas razones”, averiguó la velocidad del sonido en el aire (basándose en la Ley de Boyle), explicó la precesión de los equinoccios (que demostró que eran el resultado de la atracción gravitacional de la Luna hacia la Tierra), inició el estudio gravitacional de las irregularidades en el movimiento de la Luna, proporcionó una teoría para determinar las órbitas de los cometas, y mucho más.

Newton y el “Incidente de la Manzana”:

La historia de una manzana cayendo sobre la cabeza de Newton y haciendo que a éste se le ocurriera su teoría de la gravitación universal es un clásico de la cultura popular. Y aunque a menudo se ha sostenido que la historia es apócrifa y que Newton no ideó su teoría en ningún momento concreto, el propio Newton contó la historia muchas veces y afirmó que el incidente le había inspirado.

Además, los escritos de William Stukeley (un clérigo y anticuario inglés, miembro de la Real Sociedad) han confirmado la historia. Pero en vez de la representación cómica de la manzana golpeando a Newton en la cabeza, Stukeley describió en sus “Memorias de la Vida de Sir Isaac Newton” (1752) una conversación en la que Newton hablaba de sus reflexiones sobre la naturaleza de la gravedad mientras veía caer una manzana.

“…fuimos al jardín y bebimos té bajo la sombra de unos manzanos, solos él y yo. Entre otras conversaciones, me contó que estaba en esa misma situación cuando le vino a la cabeza en su momento la noción de la gravitación. “¿Por qué debería una manzana descender siempre de forma perpendicular al suelo?”, pensó para sí mismo, a raíz de la caída de una manzana…”

John Conduitt, asistente de Newton en la Casa de la Moneda británica (y que acabaría casándose con su sobrina), también describió haber oído la historia como parte de sus propias explicaciones sobre la vida de Newton. Según Conduitt, el incidente tuvo lugar en 1666, cuando Newton se encontraba visitando a su madre en Lincolnshire. Mientras merodeaba por el jardín, contemplaba cómo la influencia de la gravedad se extendía más allá de la Tierra, y era responsable tanto de la caída de una manzana como de la órbita de la Luna.

De forma similar, Voltaire escribió en su “Ensayo sobre la poesía épica” (1727) que Newton había pensado por primera vez en el sistema de gravitación mientras paseaba por su jardín y veía caer una manzana de un árbol. Esto es consistente con las notas de Newton de la década de 1660, que muestran que estaba tratando de resolver la idea de cómo la gravedad terrestre se extiende hasta la Luna, en proporción a la inversa del cuadrado.

Sin embargo, le llevaría dos décadas más desarrollar completamente sus teorías hasta el punto de ser capaz de ofrecer pruebas matemáticas, como demostró en los Principia. Una vez que completó este trabajo, dedujo que la misma fuerza que hace caer al suelo a un objeto era la responsable de otros movimientos orbitales. Por lo tanto, la llamó “gravitación universal”.

Existen varios árboles que se dice que son “el” manzano que Newton describe. El King’s School de Grantham afirma que dicha escuela compró el árbol original, lo arrancó de raíz y lo transportó al jardín del director algunos años después. Sin embargo, el National Trust (la Fundación Nacional para Lugares de Interés Histórico o Belleza Natural), que posee Woolsthorpe Manor (la casa donde Newton creció), afirma que el árbol aún vive en su jardín. Un descendiente del árbol original se puede ver creciendo en la parte exterior de la entrada principal del Trinity College, en Cambridge, bajo la habitación en la que Newton vivía cuando estudiaba allí.

El trabajo de Newton tendría una profunda influencia en las ciencias, permaneciendo sus principios como un canon durante los siguientes 200 años. También puso de manifiesto el concepto de gravitación universal, que se convirtió en el pilar de la astronomía moderna, y no sería revisado hasta el siglo XX, con el descubrimiento de la mecánica cuántica y la teoría de la Relatividad General de Einstein.