El campo gravitacional
"Si cogemos una piedra y luego la soltamos, ¿por qué cae al suelo?" La respuesta habitual a esta pregunta es: "Porque es atraída por la tierra". La física moderna formula la respuesta de manera bastante diferente por el siguiente motivo. Como resultado de un estudio más cuidadoso de los fenómenos electromagnéticos, hemos llegado a considerar la acción a distancia como un proceso imposible sin la intervención de algún medio intermediario. Si, por ejemplo, un imán atrae un trozo de hierro, no podemos conformarnos con considerar que esto significa que el imán actúa directamente sobre el hierro a través del espacio vacío intermedio, sino que nos vemos obligados a imaginar —al modo de Faraday— que el imán siempre hace surgir algo físicamente real en el espacio que lo rodea, siendo ese algo lo que llamamos un "campo magnético". A su vez, este campo magnético actúa sobre el trozo de hierro, de modo que este se esfuerza por moverse hacia el imán. No discutiremos aquí la justificación de esta concepción accesoria, que es en verdad un tanto arbitraria. Solo mencionaremos que, con su ayuda, los fenómenos electromagnéticos pueden representarse teóricamente de manera mucho más satisfactoria que sin ella, y esto se aplica en particular a la transmisión de ondas electromagnéticas.
Los efectos de la gravitación también se consideran de manera análoga.
La acción de la tierra sobre la piedra se lleva a cabo indirectamente. La tierra produce en su entorno un campo gravitatorio, que actúa sobre la piedra y produce su movimiento de caída.
Como sabemos por experiencia, la intensidad de la acción sobre un cuerpo disminuye según una ley perfectamente definida, a medida que nos alejamos más y más de la tierra.
Desde nuestro punto de vista, esto significa: la ley que rige las propiedades del campo gravitatorio en el espacio debe ser perfectamente definida, para poder representar correctamente la disminución de la acción gravitatoria con la distancia respecto a los cuerpos operativos.
Viene a ser algo así: el cuerpo (por ejemplo, la tierra) produce directamente un campo en su vecindad inmediata; la intensidad y la dirección del campo en puntos más alejados del cuerpo quedan entonces determinadas por la ley que rige las propiedades de los campos gravitatorios en el espacio.
A diferencia de los campos eléctrico y magnético, el campo gravitatorio exhibe una propiedad sumamente notable, que es de fundamental importancia para lo que sigue.
Los cuerpos que se mueven bajo la única influencia de un campo gravitatorio experimentan una aceleración que no depende en lo más mínimo ni del material ni del estado físico del cuerpo.
Por ejemplo, un trozo de plomo y un trozo de madera caen exactamente de la misma manera en un campo gravitatorio (en el vacío), cuando parten del reposo o con la misma velocidad inicial. Esta ley, que se cumple con gran exactitud, puede expresarse de otra forma a la luz de la siguiente consideración.
De acuerdo con la ley de movimiento de Newton, tenemos
donde la «masa inercial» es una constante característica del cuerpo acelerado. Si ahora la gravitación es la causa de la aceleración, entonces tenemos
(\text{Fuerza}) = (\text{masa gravitacional}) \ × (\text{intensidad del campo gravitatorio}), \index{Masa gravitacional}
donde la «masa gravitacional» es asimismo una constante característica del cuerpo. De estas dos relaciones se deduce:
(\text{acceleración}) = \frac{(\text{masa gravitacional})}{(\text{masa inercial})} \ × (\text{intensidad del campo gravitacional}).
Si ahora, como comprobamos por la experiencia, la aceleración debe ser independiente de la naturaleza y el estado del cuerpo y siempre la misma para un campo gravitatorio dado, entonces la razón entre la masa gravitacional y la inercial debe ser asimismo la misma para todos los cuerpos.
Mediante una elección adecuada de las unidades podemos, por tanto, hacer que esta razón sea igual a la unidad. Tenemos entonces la siguiente ley:
La masa gravitacional de un cuerpo es igual a su masa inercial.
Es verdad que esta importante ley había sido registrada hasta entonces en la mecánica, pero no había sido interpretada. Solo se puede obtener una interpretación satisfactoria si reconocemos el siguiente hecho: La misma cualidad de un cuerpo se manifiesta según las circunstancias como «inercia» o como «peso» (lit. «pesadez»).
En la sección siguiente mostraremos hasta qué punto esto es así en realidad, y cómo esta cuestión está conectada con el postulado general de la relatividad.