Por 100 anos, a teoria geral da relatividade de Albert Einstein sobreviveu a quase todos os testes que os físicos lançaram sobre ela. Anunciadas em novembro de 1915, as equações de campo do famoso cientista expandiram as leis de longa data de Isaac Newton ao repensar a gravidade como uma deformação no tecido do espaço e do tempo, em vez de uma simples força entre objetos.
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Os resultados de usar equações de relatividade geral na verdade parecem semelhantes ao que você obtém usando a matemática de Newton, contanto que as massas envolvidas não sejam muito grandes e as velocidades sejam relativamente pequenas comparadas à velocidade da luz. Mas o conceito foi uma revolução para a física.
O espaço-tempo distorcido significa que a própria luz é afetada pela gravidade muito mais fortemente do que Newton previu. Isso também significa que os planetas se movem em torno de suas órbitas de uma forma ligeiramente alterada, mas muito significativa, e prevê a existência de objetos exóticos, como buracos negros de monstros e buracos de minhoca.
A relatividade geral não é perfeita - as regras da gravidade de Einstein parecem quebrar quando você as aplica às regras da mecânica quântica, que reina em escalas subatômicas. Isso deixa muitas lacunas tentadoras em nossa compreensão do universo. Mesmo hoje, os cientistas estão pressionando os limites para ver até onde a relatividade pode nos levar. Enquanto isso, aqui estão algumas maneiras pelas quais constantemente vemos a relatividade em ação:
Órbita de Mercúrio
A espaçonave MESSENGER, a primeira a orbitar Mercúrio, capturou essa visão de cores falsas do minúsculo planeta para mostrar diferenças químicas, mineralógicas e físicas em sua superfície. (NASA / JHUAPL / Carnegie Institution) No século 19, o astrônomo Urbain LeVerrier notou um problema com a órbita de Mercúrio. As órbitas planetárias não são circulares, elas são elipses, o que significa que os planetas podem estar mais próximos ou mais distantes do sol e uns dos outros enquanto se movem através do sistema solar. À medida que os planetas se aproximam, seus pontos de maior aproximação se movem de maneira previsível, um processo chamado de precessão.
Mas mesmo depois de contabilizar os efeitos de todos os outros planetas, Mercúrio parecia estar precessionando um pouquinho mais longe do que deveria a cada século. No início, os astrônomos pensavam que outro planeta invisível chamado vulcano deveria estar dentro da órbita de Mercúrio, acrescentando sua atração gravitacional à mistura.
Mas Einstein usou as equações da relatividade geral para mostrar que nenhum planeta misterioso era necessário. Mercúrio, estando mais próximo do sol, é simplesmente mais afetado pela forma como a nossa estrela massiva curva o tecido do espaço-tempo, algo que a física newtoniana não explicou.
Luz de dobra
Uma imagem do eclipse solar vista em 29 de maio de 1919. ("Uma Determinação da Deflexão da Luz pelo Campo Gravitacional do Sol, das Observações Feitas no Eclipse Total de 29 de maio de 1919" Transações Filosóficas da Royal Society of London, Série A) De acordo com a relatividade geral, a luz que se move através do tecido espaço-tempo deve seguir as curvas desse tecido. Isso significa que a luz se movendo em torno de objetos maciços deve dobrar em torno deles. Quando Einstein publicou seus artigos sobre relatividade geral, não ficou claro como observar essa distorção, já que o efeito previsto é pequeno.
O astrônomo britânico Arthur Eddington teve uma idéia: veja as estrelas perto da borda do sol durante um eclipse solar. Com o brilho do sol bloqueado pela lua, os astrônomos puderam ver se a aparente posição de uma estrela foi alterada à medida que a gravidade do sol massivo curvava sua luz. Os cientistas fizeram observações de dois locais: um no leste do Brasil e um na África.
Com certeza, a equipe de Eddington viu o deslocamento durante um eclipse de 1919, e as manchetes dos jornais trombetearam para o mundo que Einstein estava certo. Nos últimos anos, novos exames dos dados mostraram que, pelos padrões modernos, o experimento tinha falhas - havia problemas com as chapas fotográficas, e a precisão disponível em 1919 não era boa o suficiente para mostrar a quantidade certa de deflexão nas medições. do Brasil. Mas experimentos subsequentes mostraram que o efeito está presente e, dada a ausência de equipamentos modernos, o trabalho foi suficientemente sólido.
Hoje, astrônomos usando telescópios poderosos podem ver a luz de galáxias distantes sendo dobradas e ampliadas por outras galáxias, um efeito agora chamado de lente gravitacional. Esta mesma ferramenta é usada atualmente para estimar as massas de galáxias, para procurar por matéria escura e até mesmo para buscar planetas orbitando outras estrelas.
Buracos Negros
O telescópio espacial Chandra, da NASA, viu o buraco negro no centro de nossa galáxia, chamado Sagitário A *, liberar uma explosão extra-brilhante de raios-X em janeiro. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard e outros) Talvez a previsão mais espetacular da relatividade geral seja a existência de buracos negros, objetos tão volumosos que nem a luz poderia escapar de sua atração gravitacional. A ideia, no entanto, não era nova. Em 1784, um cientista inglês chamado John Mitchell apresentou-o nas reuniões da Royal Society e, em 1799, Pierre-Simon LaPlace, um matemático francês, chegou ao mesmo conceito e escreveu uma prova matemática mais rigorosa. Mesmo assim, ninguém havia observado nada como um buraco negro. Além disso, experimentos em 1799 e depois pareciam mostrar que a luz deveria ser uma onda e não uma partícula, de modo que não seria afetada pela gravidade da mesma maneira, se é que seria.
Digite Einstein. Se a gravidade é realmente devido a uma curvatura do espaço-tempo, então isso poderia afetar a luz. Em 1916, Karl Schwarzschild usou as equações de Einstein para mostrar que não só os buracos negros poderiam existir, mas que o objeto resultante era quase o mesmo que o de LaPlace. Schwarzschild também introduziu o conceito de um horizonte de eventos, uma superfície da qual nenhum objeto material poderia escapar.
Embora a matemática de Schwarzschild fosse sólida, levou décadas para que os astrônomos observassem qualquer candidato - o Cygnus X-1, uma forte fonte de raios X, tornou-se o primeiro objeto amplamente aceito como um buraco negro na década de 1970. Agora os astrônomos pensam que toda galáxia tem um buraco negro em seu núcleo - até mesmo o nosso. Os astrônomos rastrearam com cuidado as órbitas das estrelas em torno de outra fonte de raio-X brilhante no centro da Via Láctea, Sagitário A *, e descobriram que o sistema se comporta como um buraco negro extremamente massivo.
"Para sistemas como o Cygnus X-1 ou o Sagittarius A *, podemos medir a massa e o raio do objeto compacto, e simplesmente não conseguimos descobrir nenhum outro objeto astrofísico que tivesse as mesmas propriedades observacionais", diz Paul M. Sutter, astrofísico e professor visitante da Ohio State University.
Atirando na Lua
Parte de um experimento de laser lunar deixado na lua pela Apollo 15. (NASA) Ao elaborar sua teoria geral da relatividade, Einstein percebeu que os efeitos da gravidade e os efeitos da aceleração são causados pela curvatura do espaço-tempo e que a força gravitacional experimentada por alguém em um objeto maciço seria semelhante ao efeito. experimentado por alguém acelerando, digamos, montando um foguete.
Isso significa que as leis da física, conforme medidas em um laboratório, sempre terão a mesma aparência, não importa quão rápido o laboratório esteja se movendo ou onde esteja no espaço-tempo. Além disso, se você colocar um objeto em um campo gravitacional, seu movimento dependerá apenas de sua posição inicial e de sua velocidade. Essa segunda afirmação é importante, porque implica que o rebocador da gravidade do Sol na Terra e na Lua deve ser muito estável - caso contrário, quem sabe que problemas podem surgir se nosso planeta e a Lua "caírem" em direção ao Sol em ritmos diferentes.
Nos anos 1960, as missões Apollo e sondas lunares soviéticas montaram refletores na Lua, e cientistas da Terra dispararam feixes de laser para realizar uma série de experimentos científicos, incluindo a medição da distância entre a Terra e a Lua e seus movimentos relativos. ao redor do sol. Uma das lições desta descoberta lunar foi que a Terra e a Lua estão de fato caindo em direção ao Sol na mesma velocidade, exatamente como prediz a relatividade geral.
Arrastando o Espaço
Um desenho composto do satélite Gravity Probe B. (Katherine Stephenson, Universidade de Stanford e Lockheed Martin Corporation) Na maioria das descrições da relatividade geral, as pessoas imaginam a Terra como uma bola de boliche suspensa em um pedaço de tecido, também conhecido como espaço-tempo. A bola faz com que o tecido se distorça em uma depressão. Mas desde que a Terra gira, a relatividade geral diz que a depressão deve se contorcer e distorcer enquanto a bola gira.
Uma espaçonave chamada Gravity Probe B, lançada em 2004, passou um ano medindo a curvatura do espaço-tempo ao redor da Terra. Ele encontrou algumas evidências para o arrasto de quadros, ou a Terra arrastando o tecido cósmico com ele enquanto gira, ajudando a validar o quadro de gravidade de Einstein.
Ondulações no espaço-tempo
Dois pulsares maciços girando em torno um do outro criariam distúrbio suficiente no tecido do espaço-tempo para gerar ondas gravitacionais que deveríamos ser capazes de detectar na Terra. (NASA) Outra consequência dos objetos que se movem através do espaço-tempo é que, às vezes, eles criam ondulações e ondas no tecido, semelhantes ao rastro de um navio. Essas ondas gravitacionais estenderiam o espaço-tempo de maneiras que teoricamente são observáveis. Por exemplo, alguns experimentos projetam um feixe de laser entre dois conjuntos de espelhos e o tempo que leva o feixe para refletir entre eles. Se uma ondulação do espaço-tempo atravessa a Terra, tais detectores devem ver um pequeno alongamento e contração do feixe, que apareceria como um padrão de interferência.
Até agora, as ondas gravitacionais são uma das últimas grandes previsões da relatividade geral que ainda precisam ser vistas, embora haja rumores de uma detecção em uma instalação nos EUA. Mas há algumas evidências indiretas. Pulsares são estrelas mortas que acumulam muitas vezes a massa do sol em um espaço do tamanho de Manhattan. Observações de dois pulsares em órbita fornecem algumas dicas de que as ondas gravitacionais são reais.
"Observou-se que o período orbital do primeiro pulsar binário decaiu ao longo do tempo em cerca de 0, 0001 segundos por ano", afirma o físico Alan Kostelecky, da Universidade de Indiana. "A taxa de decaimento corresponde à perda de energia devido à radiação gravitacional que é prevista pela relatividade geral."
GPS
A renderização de um artista mostra um satélite GPS-IIRM em órbita. (Comitê Executivo Nacional dos EUA para Posicionamento, Navegação e Cronometragem com Base no Espaço) Sistemas de Posicionamento Global não são exatamente um teste de relatividade, mas eles confiam nele absolutamente. O GPS usa uma rede de satélites em órbita que envia sinais para telefones e aluga carros em todo o planeta. Para obter uma posição, esses satélites precisam saber onde e quando estão, então eles mantêm as medições de tempo com uma precisão de bilionésimos de segundo.
Mas os satélites estão circulando 12.550 milhas acima de nossas cabeças, onde eles sentem menos atração gravitacional do planeta do que as pessoas no chão. Com base na teoria da relatividade especial de Einstein, segundo a qual o tempo passa de maneira diferente para os observadores que se movem em velocidades diferentes, os relógios dos satélites marcam um pouco mais lentamente do que o relógio de um viajante terrestre.
No entanto, a relatividade geral ajuda a anular esse efeito, porque a gravidade perto da superfície da Terra retarda os tiques de um relógio em comparação com a sobrecarga do satélite. Sem essa combinação relativista, os relógios GPS estariam desligados em cerca de 38 microssegundos por dia. Isso pode soar como um pequeno erro, mas o GPS exige uma precisão tão alta que a discrepância tornaria seu local mapeado visivelmente errado em questão de horas.
