Teoria da Relatividade Geral de Einstein

Elton Wade
Jun 23, 2018 · 6 min read

Uma explicação simplificada

A teoria da relatividade geral de Einstein previa que o espaço-tempo ao redor da Terra seria não apenas deformado, mas também torcido pela rotação do planeta. Gravity Probe B mostrou que isso está correto. Crédito: NASA

Em 1905, Albert Einstein determinou que as leis da física são as mesmas para todos os observadores não acelerados, e que a velocidade da luz no vácuo era independente do movimento de todos os observadores. Essa era a teoria da relatividade especial. Introduziu uma nova estrutura para toda a física e propôs novos conceitos de espaço e tempo.

Einstein passou 10 anos tentando incluir a aceleração na teoria e publicou sua teoria da relatividade geral em 1915. Nela, ele determinou que objetos massivos causam uma distorção no espaço-tempo, que é sentida como gravidade.

O cabo de gravidade

Dois objetos exercem uma força de atração um sobre o outro, conhecida como “gravidade”. Sir Isaac Newton quantificou a gravidade entre dois objetos quando formulou suas três leis do movimento. A força que puxa entre dois corpos depende de quão maciço é cada um e quão distantes estão os dois. Mesmo quando o centro da Terra está puxando você em direção a ele (mantendo-o firmemente alojado no chão), seu centro de massa está se afastando da Terra. Mas o corpo mais massivo mal sente o puxão de você, enquanto com sua massa muito menor você se encontra firmemente enraizado graças à mesma força. No entanto, as leis de Newton assumem que a gravidade é uma força inata de um objeto que pode agir a distância.

Albert Einstein, em sua teoria da relatividade especial, determinou que as leis da física são as mesmas para todos os observadores não acelerados, e mostrou que a velocidade da luz dentro do vácuo é a mesma, não importa a velocidade com que um observador viaja. Como resultado, ele descobriu que espaço e tempo estavam entrelaçados em um único continuo conhecido como espaço-tempo. Eventos que ocorrem ao mesmo tempo para um observador podem ocorrer em momentos diferentes para outro.

Enquanto trabalhava nas equações para sua teoria da relatividade geral, Einstein percebeu que objetos massivos causavam uma distorção no espaço-tempo. Imagine colocar um corpo grande no centro de um trampolim. O corpo pressionava o tecido, fazendo com que ele se curvasse. Um mármore enrolado ao redor da borda espiralaria para dentro em direção ao corpo, puxado da mesma maneira que a gravidade de um planeta puxa as rochas no espaço.

Evidência experimental

Embora os instrumentos não possam ver nem medir o espaço-tempo, vários dos fenômenos previstos por sua deformação foram confirmados.

Lente gravitacional : A luz ao redor de um objeto massivo, como um buraco negro, é curvada, fazendo com que ele atue como uma lente para as coisas que estão por trás dele. Os astrônomos usam rotineiramente este método para estudar estrelas e galáxias atrás de objetos massivos.

A cruz de Einstein, um quasar na constelação de Pegasus, é um excelente exemplo de lentes gravitacionais. O quasar é de cerca de 8 bilhões de anos-luz da Terra, e fica atrás de uma galáxia a 400 milhões de anos-luz de distância. Quatro imagens do quasar aparecem ao redor da galáxia porque a gravidade intensa da galáxia dobra a luz que vem do quasar.

As lentes gravitacionais podem permitir que os cientistas vejam algumas coisas bem legais, mas até recentemente, o que eles viram ao redor da lente permaneceu relativamente estático. No entanto, uma vez que a luz que percorre as lentes toma um caminho diferente, cada um percorrendo um período de tempo diferente, os cientistas puderam observar que uma supernova ocorre quatro vezes diferentes, à medida que foi ampliada por uma enorme galáxia.

Em outra observação interessante, o telescópio Kepler da NASA avistou uma estrela morta, conhecida como anã branca, orbitando uma anã vermelha em um sistema binário. Embora a anã branca seja mais massiva, ela tem um raio muito menor do que sua companheira.

“A técnica equivale a detectar uma pulga em uma lâmpada a 3.000 milhas de distância, aproximadamente a distância entre Los Angeles e Nova York”, disse Avi Shporer, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, em comunicado.

Mudanças na órbita de Mercúrio: A órbita de Mercúrio está mudando muito gradualmente ao longo do tempo, devido à curvatura do espaço-tempo em torno do sol em massa. Em alguns bilhões de anos, poderá até colidir com a Terra.

Arrastando quadros do espaço-tempo ao redor de corpos giratórios: O giro de um objeto pesado, como a Terra, deve torcer e distorcer o espaço-tempo ao redor dele. Em 2004, a NASA lançou o Gravity Probe B GP-B). O satélite calibrado com precisão fez com que os eixos dos giroscópios se movimentassem levemente ao longo do tempo, um resultado que coincidiu com a teoria de Einstein.

“Imagine a Terra como se estivesse imersa em mel”, disse Francis Everitt, investigador principal da sonda Gravity Probe, da Universidade de Stanford, em comunicado.

“À medida que o planeta gira, o mel em torno dele gira, e é o mesmo com o espaço e o tempo. O GP-B confirmou duas das previsões mais profundas do universo de Einstein, tendo implicações de longo alcance em pesquisas astrofísicas.”

Redshift gravitacional: A radiação eletromagnética de um objeto é esticada ligeiramente dentro de um campo gravitacional. Pense nas ondas sonoras que emanam de uma sirene em um veículo de emergência; À medida que o veículo se move em direção a um observador, as ondas sonoras são comprimidas, mas à medida que se afasta, elas são esticadas ou deslocadas para o vermelho. Conhecido como o efeito Doppler, o mesmo fenômeno ocorre com ondas de luz em todas as frequências. Em 1959, dois físicos, Robert Pound e Glen Rebka, lançaram raios gama de ferro radioativo ao lado de uma torre na Universidade de Harvard e descobriram que eles eram minimamente menores que sua frequência natural devido a distorções causadas pela gravidade.

Ondas gravitacionais: Acredita-se que eventos violentos, como a colisão de dois buracos negros, sejam capazes de criar ondulações no espaço-tempo conhecidas como ondas gravitacionais. Em 2016, o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser ( LIGO ) anunciou que encontrou evidências desses indicadores.

Em 2014, os cientistas anunciaram que haviam detectado ondas gravitacionais que sobraram do Big Bang usando o telescópio de imagem de fundo de polarização extragaláctica cósmica (BICEP2) na Antártida. Acredita-se que tais ondas estejam embutidas na radiação cósmica de fundo em micoondas. No entanto, pesquisas posteriores revelaram que seus dados estavam contaminados por poeira galáctica na linha de visão.

“Buscar esse registro único do universo primitivo é tão difícil quanto emocionante”, disse Jan Tauber, cientista do projeto da Agência Espacial Européia para a missão espacial Planck, em busca de ondas cósmicas, em um comunicado.

O LIGO detectou a primeira onda gravitacional confirmada em 14 de setembro de 2015. O par de instrumentos, baseados em Louisiana e Washington, tinha sido atualizado recentemente e estava em processo de calibração antes de entrarem em operação. A primeira detecção foi tão grande que, de acordo com a porta-voz do LIGO, Gabriela Gonzalez, a equipe levou vários meses para se convencer de que era um sinal real e não um problema.

“Tivemos muita sorte na primeira detecção de que era tão óbvia”, disse ela durante a 228 reunião da American Astronomical Society em junho de 2016.

Um segundo sinal foi visto em 26 de dezembro do mesmo ano, e um terceiro candidato foi mencionado junto com ele. Enquanto os dois primeiros sinais são quase definitivamente astrofísicos — Gonzalez disse que havia menos de uma parte em um milhão deles sendo outra coisa — o terceiro candidato tem apenas 85% de probabilidade de ser uma onda gravitacional.

Juntas, as duas detecções firmes fornecem evidências de pares de buracos negros em espiral para dentro e colidindo. Com o passar do tempo, González antecipa que mais ondas gravitacionais serão detectadas pelo LIGO e outros instrumentos futuros, como o planejado pela Índia.

“Podemos testar a relatividade geral e a relatividade geral passou no teste”, disse Gonzalez.

Elton Wade

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A INTERPRETAÇÃO QUÂNTICA E RELATIVÍSTICA DA NATUREZA - As Ciências Naturais e a Matemática no Mundo Atual. CONSCIENTIZAÇÃO DO ESPECTRO AUTISTA.