A teoria da relatividade geral de Einstein passa por outro teste, com implicações para a matéria escura e a energia escura
A teoria é precisa em pelo menos uma parte em um quatrilhão.
- Os cientistas realizaram um teste ultrapreciso de uma premissa central da moderna teoria da gravidade de Einstein. A teoria se levantou com uma precisão de uma parte em um quatrilhão.
- A afirmação de que a massa inercial e gravitacional são a mesma é conhecida como o princípio da equivalência, e Einstein incorporou a equivalência em sua teoria da gravidade.
- O teste mais recente descarta algumas teorias alternativas da gravidade, mas não todas. A pesquisa tem consequências significativas para ideias conjecturais, como energia escura e matéria escura.
Pesquisadores usaram um satélite que orbita a Terra para realizar um teste ultra-preciso de uma premissa central da teoria da relatividade geral de Einstein, que é a moderna teoria da gravidade. A questão é se dois tipos diferentes de massa – gravitacional e inercial – são idênticos. Os cientistas descobriram que dois objetos a bordo do satélite caíram em direção à Terra na mesma velocidade, com uma precisão de uma parte em um quatrilhão. Este teste bem-sucedido da teoria de Einstein tem implicações substanciais para os mistérios cósmicos atuais – por exemplo, a questão da existência de matéria escura e energia escura.
Enganando os antigos
A gravidade é a força que mantém o Universo unido, puxando galáxias distantes e guiando-as em uma eterna dança cósmica. A força da gravidade é governada em parte pela distância entre dois objetos, mas também pelas massas dos objetos. Um objeto com mais massa experimenta mais gravidade. O nome técnico para este tipo de massa é “massa gravitacional”.
A massa tem outra propriedade, que poderíamos chamar de inércia. Esta é a tendência de um objeto de resistir a mudanças no movimento. Em outras palavras, coisas mais massivas são mais difíceis de mover: é mais fácil empurrar uma bicicleta. O nome técnico para este tipo de massa é “massa inercial”.
Não há razão primeiro assumir que a massa gravitacional e a massa inercial são as mesmas. Um governa a força da gravidade, enquanto o outro governa o movimento. Se fossem diferentes, objetos pesados e leves cairiam em taxas diferentes e, de fato, os filósofos da Grécia antiga observaram que um martelo e uma pena caem de maneira diferente. Objetos pesados certamente parecem cair mais rápido que os leves. Agora sabemos que a resistência do ar é a culpada, mas isso não era óbvio no passado.
A situação foi esclarecida em 17 de º século, quando Galileu realizou uma série de experimentos usando rampas e esferas de diferentes massas para mostrar que objetos de diferentes massas caem na mesma proporção. (Sua experiência de jogar bolas da Torre de Pisa é provavelmente apócrifa.) E em 1971, o astronauta David Scott repetido de forma convincente O experimento de Galileu na Lua sem ar, quando ele deixou cair um martelo e uma pena, e eles caíram de forma idêntica. Os antigos gregos foram enganados.
Conjectura sombria
A afirmação de que a massa inercial e gravitacional são a mesma é conhecida como o princípio da equivalência, e Einstein incorporou a equivalência em sua teoria da gravidade. A relatividade geral prediz com sucesso como os objetos caem na maioria das circunstâncias, e a comunidade científica a aceita como a melhor teoria da gravidade.
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada todas as quintas-feirasNo entanto, “a maioria” das circunstâncias não significa “todas”, e as observações astronômicas revelaram alguns mistérios desconcertantes. Por um lado, as galáxias giram mais rápido do que suas estrelas e os gases dentro delas podem explicar ou do que a teoria da gravidade de Einstein pode explicar. A explicação mais aceita para essa discrepância é a existência de uma substância chamada matéria escura – matéria que não emite luz. Outro enigma cósmico é a observação de que a expansão do Universo está se acelerando. Para explicar essa estranheza, os cientistas postularam que o Universo está cheio de uma forma repulsiva de gravidade chamada energia escura.
No entanto, estas são questões de conjectura informada. Pode ser que não entendamos completamente a gravidade ou as leis do movimento. Antes que possamos ter alguma confiança de que a matéria escura e a energia escura são reais, precisamos validar a teoria de Einstein da relatividade geral com altíssima precisão. Para fazer isso, precisamos mostrar que o princípio da equivalência é verdadeiro.
Enquanto Isaac Newton testou o princípio da equivalência em 1600, os esforços modernos são muito mais precisos. No século 20, os astrônomos lançaram lasers em espelhos deixados na lua pelos astronautas da Apollo para mostrar que as massas inercial e gravitacional são as mesmas com uma precisão de uma parte em 10 trilhões. Essa conquista foi impressionante. Mas a experiência mais recente foi ainda mais longe.
A relatividade geral passa em outro teste
Um grupo de pesquisadores chamado Microscópio colaboração lançou um satélite ao espaço em 2016. Cilindros de titânio e platina estavam a bordo, e a intenção dos cientistas era testar o princípio da equivalência. Ao colocar seus aparelhos no espaço, eles isolaram o equipamento de vibrações e pequenas diferenças gravitacionais criadas por montanhas próximas, depósitos subterrâneos de petróleo e minerais e similares. Os cientistas monitoraram a localização dos cilindros usando campos elétricos. A ideia é que, se os dois objetos orbitassem de forma diferente, eles precisariam usar dois campos elétricos diferentes para mantê-los no lugar.
O que eles descobriram foi que os campos elétricos necessários eram os mesmos, permitindo-lhes determinar que quaisquer diferenças na massa inercial e gravitacional chegavam a menos de uma parte em um quatrilhão. Essencialmente, eles fizeram uma validação precisa do princípio da equivalência.
Embora este seja um resultado esperado do ponto de vista da relatividade geral, tem consequências muito substanciais para o estudo da matéria escura e da energia escura. Embora essas ideias sejam populares, alguns cientistas acreditam que as propriedades rotacionais das galáxias podem ser melhor explicadas por novas teorias da gravidade. Muitas dessas teorias alternativas implicam que o princípio da equivalência não é perfeito.
A medição MicroSCOPE não viu violação do princípio da equivalência. Seus resultados descartam algumas teorias alternativas da gravidade, mas não todas. Os pesquisadores estão preparando um segundo experimento, chamado MicroSCOPE2, que deve ser cerca de 100 vezes mais preciso que seu antecessor. Se vir desvios do princípio da equivalência, dará aos cientistas uma orientação crucial para o desenvolvimento de novas e aprimoradas teorias da gravidade.
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