Das forças fundamentais do universo, apenas uma domina todos os momentos da nossa experiência consciente: a gravidade. Ele nos mantém perto do chão, arrasta bolas de beisebol e basquete para fora do ar e dá aos nossos músculos algo contra o qual lutar. Cosmicamente, a gravidade é tão consequencial. Desde o colapso das nuvens de hidrogênio até as estrelas e a colagem das galáxias, a gravidade representa um dos poucos jogadores que determinam os grandes traços da evolução do universo.
De certa forma, a história da gravidade também é a história da física, com alguns dos maiores nomes do campo encontrando fama ao definir a força que governava suas vidas. Mas mesmo depois de mais de 400 anos de estudo, a força enigmática ainda está no coração de alguns dos maiores mistérios da disciplina.
Gravidade como força universal
Hoje, os cientistas sabem de quatro forças – coisas que atraem (ou repelem) um objeto para (ou de) outro. A força forte e a força fraca operam apenas dentro dos centros dos átomos. A força eletromagnética governa objetos com carga excessiva (como elétrons, prótons e meias arrastando-se sobre um tapete felpudo), e a gravidade dirige objetos com massa.
As três primeiras forças escaparam em grande parte da humanidade até os últimos séculos, mas as pessoas há muito tempo especulam sobre a gravidade, que age em tudo, desde as gotas de chuva até as balas de canhão. Os antigos filósofos gregos e indianos observaram que os objetos moviam-se naturalmente para o chão, mas seria necessário um relance de Isaac Newton para elevar a gravidade de uma tendência inescrutável de objetos a um fenômeno mensurável e previsível.
O salto de Newton, que se tornou público em seu tratado Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica de 1687, foi perceber que todos os objetos no universo – de um grão de areia até as maiores estrelas – se sobrepunham a todos os outros objetos. Essa noção unificou eventos que pareciam totalmente não relacionados, de maçãs caindo para a Terra (embora provavelmente não inspirasse seu avanço, Newton funcionava perto de uma macieira) para os planetas orbitando o sol. Ele também colocou os números na atração: dobrar a massa de um objeto faz com que sua tração seja duas vezes mais forte, ele determinou, e trazendo dois objetos duas vezes mais próximos que quadruplicam seu puxão mútuo. Newton empacotou essas idéias em sua lei universal da gravitação.
Gravidade como a geometria do espaço
A descrição da gravidade de Newton foi precisa o bastante para detectar a existência de Netuno em meados do século XIX, antes que alguém pudesse vê-la, mas a lei de Newton não é perfeita. Em 1800, os astrônomos notaram que a elipse traçada pela órbita de Mercúrio estava se movendo mais rapidamente em torno do Sol do que a teoria de Newton previa que deveria, sugerindo um ligeiro descompasso entre sua lei e as leis da natureza. O enigma acabou sendo resolvido pela teoria da relatividade geral de Albert Einstein, publicada em 1915.
Antes de Einstein publicar sua inovadora teoria, os físicos sabiam como calcular a atração gravitacional de um planeta, mas a compreensão de por que a gravidade se comportara de tal modo avançara pouco além dos antigos filósofos. Esses cientistas entenderam que todos os objetos atraem todos os outros com uma força instantânea e infinitamente ampla, como Newton havia postulado, e muitos físicos da era Einstein estavam contentes em deixar por isso mesmo. Mas, enquanto trabalhava em sua teoria da relatividade especial, Einstein determinara que nada poderia viajar instantaneamente, e a força da gravidade não deveria ser exceção.
Durante séculos, os físicos trataram o espaço como uma estrutura vazia contra a qual os eventos se desenrolavam. Foi absoluto, imutável e não – em qualquer sentido físico – realmente existe. A relatividade geral promoveu o espaço e o tempo também, de um pano de fundo estático para uma substância um pouco parecida com o ar de uma sala. Einstein afirmava que o espaço e o tempo juntos compunham o tecido do universo e que esse material “espaço-tempo” podia esticar, comprimir, torcer e girar – arrastando tudo para o passeio.
Einstein sugeriu que a forma do espaço-tempo é o que dá origem à força que experimentamos como gravidade. Uma concentração de massa (ou energia), como a Terra ou o Sol, dobra o espaço ao redor dela, como uma rocha que dobra o fluxo de um rio. Quando outros objetos se movem por perto, eles seguem a curvatura do espaço, como uma folha pode seguir um redemoinho ao redor da rocha (embora essa metáfora não seja perfeita porque, pelo menos no caso de planetas orbitando o sol, o espaço-tempo não está “fluindo” “). Nós vemos planetas orbitam e maçãs caem porque estão seguindo caminhos através da forma distorcida do universo. Em situações cotidianas, essas trajetórias combinam com a força que a lei de Newton prevê.
As equações de campo da relatividade geral de Einstein, uma coleção de fórmulas que ilustram como a matéria e a energia distorcem o espaço-tempo, ganharam aceitação quando previram com sucesso as mudanças na órbita de Mercúrio, bem como a curvatura da luz das estrelas ao redor do sol durante um eclipse solar de 1919. [Em fotos: a experiência do eclipse solar de 1919 de Einstein testa a relatividade geral]
Gravidade como ferramenta de descoberta
A descrição moderna da gravidade prediz com tanta precisão como as massas interagem que se tornou um guia para as descobertas cósmicas.
Astrônomos americanos Vera Rubin e Kent Ford notaram na década de 1960 que as galáxias parecem girar rápido o suficiente para girar as estrelas, como um cão sacode as gotas de água. Mas como as galáxias que eles estudavam não estavam se desdobrando, algo parecia estar ajudando-as a ficarem juntas. As minuciosas observações de Rubin e Ford forneceram fortes evidências apoiando a teoria anterior do astrônomo suíço Fritz Zwicky, proposta na década de 1930, de que uma variedade invisível de massa estava acelerando as galáxias em um aglomerado próximo. A maioria dos físicos agora suspeita que essa misteriosa “matéria escura” distorce o espaço-tempo o suficiente para manter intactas as galáxias e os aglomerados de galáxias. Outros, no entanto, se perguntam se a própria gravidade poderia puxar com mais força para as escalas da galáxia, caso em que as equações de Newton e Einstein precisariam de ajustes.
Os ajustes na relatividade geral teriam que ser realmente delicados, pois os pesquisadores começaram recentemente a detectar uma das previsões mais sutis da teoria: a existência de ondas gravitacionais, ou ondulações no espaço-tempo, causadas pela aceleração de massas no espaço. Desde 2016, uma colaboração de pesquisa que opera três detectores nos Estados Unidos e na Europa mediu as múltiplas ondas gravitacionais que passam pela Terra. Mais detectores estão a caminho, lançando uma nova era da astronomia na qual os pesquisadores estudam buracos negros distantes e estrelas de nêutrons – não pela luz que emitem, mas pela forma como eles roncam o tecido do espaço quando colidem.
No entanto, a série de sucessos experimentais da relatividade geral encobre o que muitos físicos vêem como um fracasso teórico fatal: descreve um espaço-tempo clássico, mas o universo parece ser quântico, ou composto de partículas (ou “quanta”) como quarks e elétrons. .
A noção clássica de espaço (e gravidade) como um tecido liso choca-se com o quadro quântico do universo como uma coleção de pequenas peças afiadas. Como estender o Modelo Padrão da física de partículas, que abrange todas as partículas conhecidas, assim como as outras três forças fundamentais (eletromagnetismo, força fraca e força forte), para cobrir o espaço e a gravidade no nível de partículas permanece como uma das mistérios mais profundos na física moderna.
Publicado em 23/08/2019
Artigo original: https://www.space.com/classical-gravity.html
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