A relatividade geral é uma teoria complexa, mas imaginar objetos em queda pode ajudar a traçar seus contornos. (Aqui, os satélites de GPS são mostrados ao redor da Terra - o GPS depende da relatividade para fornecer posições precisas.)
(Imagem: © NASA)
Paul Sutter é um astrofísico da Universidade Estadual de Ohio e o cientista chefe da Centro de ciências COSI. Sutter também é anfitrião de "Pergunte a um astronauta"e"Rádio Espacial, "e leads AstroTours em todo o mundo. Sutter contribuiu com este artigo para Vozes de especialistas do Space.com: artigos de opinião e idéias.
A relatividade geral é um dos maiores feitos da compreensão humana, tornada ainda mais impressionante pelo fato de ter surgido da imaginação fértil e do brilho matemático obstinado de apenas uma mente. A teoria em si é o último e mais persistente dos modelos "clássicos" (isto é, não quânticos) da natureza, e nossa incapacidade de criar algo mais sofisticado nos últimos cem anos é um lembrete constante de como Albert Albert Einstein era.
Outro testemunho da genialidade de Einstein vem do espaguete emaranhado de equações complexas e interconectadas que compõem a teoria completa. Einstein fez uma máquina bonita, mas não nos deixou exatamente o manual do usuário. Podemos traçar seu caminho nos sete anos de tortura autoinfligida que levaram à forma final da teoria, mas essa rota de desenvolvimento foi guiada por tanta intuição de Einstein que é difícil para nós, meros mortais, dar os mesmos saltos cegos de gênio que ele fez.
Só para esclarecer a questão, a relatividade geral é tão complexa que, quando alguém descobre uma solução para as equações, obtém a solução com o seu nome e se torna semi-lendário por si só. Há uma razão para Karl Schwarzschild - o cara que descobriu a geometria dos buracos negros - ser um nome familiar (ou pelo menos um nome de departamento de física). Teoria da relatividade geral de Einstein: uma explicação simplificada
Geometria é destino
O núcleo absoluto da relatividade geral, e um nome alternativo perfeitamente aceitável para ela, é a geometrodinâmica. Vá em frente, diga em voz alta - é divertido. O modo como a relatividade geral modela a gravidade é através das maquinações dinâmicas do próprio espaço-tempo. Segundo a teoria, a presença de matéria e energia altera a geometria fundamental do espaço-tempo em torno dessas substâncias, e essa geometria alterada influencia o movimento.
Essa relação surge do conceito mais importante, fundamental, que não pode ser ignorado, subjacente a toda a teoria da relatividade geral: o princípio da equivalência (E.P.). Este princípio é o pressuposto de que a massa inercial (quanta força necessária para mover um objeto) é a mesma propriedade que a massa gravitacional (quanto um objeto responde à gravidade). E esta é a chave que desbloqueia toda a explosão gravitacional.
Usando essa equivalência, podemos imaginar um cenário para ajudar a visualizar a conexão entre geometria e gravidade. Finja que você está orbitando bem acima da Terra, observando serenamente os continentes e oceanos rolando sob o seu ponto de vista.
Então você abre uma caixa de lixo.
Enquanto os pedaços de detritos flutuam para longe de você, você pondera as ramificações do que acabou de fazer. Claro, agora você criou uma nuvem de detritos potencialmente perigosos que representa um grande risco para satélites e missões futuras. Mas, após uma reflexão mais profunda, sua mente se acalma. Você está fazendo um experimento científico, e o princípio da equivalência garante que todos esses pedaços de detritos, independentemente de sua forma ou massa, rastreiem perfeitamente os efeitos da gravidade da Terra, sem a necessidade de outros cálculos. Isso é algo único para a força da gravidade, graças ao E.P. Por que a relatividade é verdadeira: a evidência da teoria de Einstein
Dobrando as regras
Veja o que acontece com o lixo que você jogou no espaço. Alguns, por puro acaso, podem começar em uma linha perfeitamente horizontal. Mas, à medida que os objetos caem na Terra, eles seguem linhas retas indo direto para o centro do globo. Se você observá-los de perto, verá que, à medida que se dirigem para baixo, gradualmente convergem. Se eles pudessem passar através da Terra sólida, acabariam colidindo no centro.
Outros pedaços de lixo podem começar em uma linha perfeitamente vertical, voltada para a Terra, uniformemente afastada uma da outra. Eles também cairiam. Mas o sortudo na frente da linha cairia um pouco mais rápido, devido à sua proximidade um pouco mais próxima da Terra, com a última da linha ficando um pouco atrás. Assim, à medida que os pedaços de detritos continuavam descendo, eles divergiam lentamente em sua linha vertical.
Em alguns casos, temos trilhas convergentes e estreitas. Em outros casos, temos divergências, espalhando trajetórias. Nos dois casos, os caminhos começam perfeitamente paralelos ou uniformes, mas mudam os caracteres s. Esses caminhos de mudança são exatamente o que os matemáticos usam a linguagem da "curvatura" para descrever, e essa é a linguagem da geometria.
Ding, ding, ding. Aí está. O princípio da equivalência diz a você que os caminhos da queda de lixo informam diretamente sobre a natureza da gravidade, e esses mesmos caminhos revelam uma geometria complicada do espaço-tempo subjacente. Em outras palavras, essa gravidade é a geometria do espaço-tempo.
Geometrodinâmica.
Esticando nossos cérebros
O "tempo" no espaço-tempo é muito importante para a teoria completa. Você provavelmente já viu a demonstração ou gráfico do museu de ciências que acompanha um artigo sobre relatividade geral, mostrando o que parece uma folha de borracha esticada. Uma bola pesada, representando um planeta ou estrela ou buraco negro ou qualquer outra coisa, é colocada no centro, puxando o tecido para baixo. Rolar outras bolas na folha revela a "influência" da gravidade: elas tentam seguir linhas retas, mas seus caminhos são desviados pela curvatura subjacente.
Essa demonstração está perfeitamente bem como uma primeira introdução ao jardim de infância, mas já superamos o jardim de infância agora. Não há "down" no espaço-tempo real, e a curva está acontecendo em quatro dimensões, não em duas. É um pouco mais difícil de visualizar, e é por isso que geralmente recuamos para a demonstração mais simples.
É verdade que um objeto maciço distorce o espaço estático em sua vizinhança, mas isso é apenas metade da imagem. A massa também afeta a dimensão do tempo, alterando as possíveis trajetórias de que um objeto passageiro é capaz.
Todo objeto tem o que é chamado de cone de luz ou um conjunto de destinos possíveis que o objeto pode alcançar viajando mais devagar que a velocidade da luz. Imagine andar junto com um grão de poeira enquanto corre pelo sol. Tem uma gama de possibilidades futuras, dadas pelo seu cone de luz. Mas quando a poeira se aproxima do sol, a gravidade dessa bola de fogo gigante inclina o cone de luz da poeira em direção ao próprio sol. .A poeira agora possui um futuro novo e mais específico: alguns destinos estão fora dos limites (estão fora do novo cone de luz), enquanto outros já se abriram.
Isso pode parecer um corte de cabelo, mas a curvatura estática do espaço e a alteração dos cones de luz aparecem na matemática da relatividade geral em lugares separados, e somente combinando os dois efeitos obtemos as previsões completas (e precisas!) Das teoria. Espaço e tempo devem ser considerados juntos; você não pode ignorar one.u
Em outras palavras, a gravidade é a geometria do espaço-tempo. Geometrodinâmica.
Saiba mais ouvindo o episódio "" Sério, o que é gravidade? (Parte 3) "no podcast" Ask A Spaceman ", disponível no iTunes e na Web em http://www.askaspaceman.com. Agradecimentos a Andrew P., Joyce S., @ Luft08, Ben W., Ter B., Colin E, Christopher F., Maria A., Brett K., bryguytheflyguy, @ MarkRiepe, Kenneth L., Allison K., Phil B. e @shrenic_shah pelas perguntas que levaram a esta peça! no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul @ PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter Siga-nos em Spacedotcom, Facebook e Google+ Artigo original no Space.com.
