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Pergunte a Ethan: Como podemos medir a curvatura do espaço-tempo?

Em vez de uma grade 3D vazia, em branco, colocar uma massa para baixo faz com que o que seriam linhas “retas” se tornem curvas por uma quantidade específica. Na Relatividade Geral, tratamos o espaço e o tempo como contínuos, mas todas as formas de energia, incluindo, mas não se limitando à massa, contribuem para a curvatura do espaço-tempo. Pela primeira vez, podemos medir a curvatura na superfície da Terra, bem como como essa curvatura muda com a altitude. (CHRISTOPHER VITALE DAS REDES E O INSTITUTO PRATT)

Já se passaram mais de 100 anos desde Einstein e mais de 300 desde Newton. Ainda temos um longo caminho a percorrer.

Desde medir como os objetos caem na Terra até observar o movimento da Lua e dos planetas, a mesma lei da gravidade governa todo o Universo. De Galileu a Newton e Einstein, nossa compreensão da força mais universal de todas ainda tem algumas lacunas importantes. É a única força sem uma descrição quântica. A constante fundamental que governa a gravitação, G , é tão pouco conhecido que muitos acham embaraçoso . E a curvatura do próprio tecido do espaço-tempo não foi medida por um século depois que Einstein apresentou a teoria da Relatividade Geral. Mas muito disso tem o potencial de mudar drasticamente, pois nosso apoiador do Patreon Nick Delroy percebeu, perguntando:

Você pode por favor nos explicar como isso é incrível , e o que você espera que o futuro reserva para a medição da gravidade. O instrumento é obviamente localizado, mas minha imaginação não para de criar aplicações para isso.

A grande notícia com a qual ele está animado, é claro, é uma nova técnica experimental que mediu a curvatura do espaço-tempo devido à gravidade pela primeira vez.

O comportamento idêntico de uma bola caindo no chão em um foguete acelerado (esquerda) e na Terra (direita) é uma demonstração do princípio de equivalência de Einstein. Embora você não possa dizer se uma aceleração é devido à gravidade ou qualquer outra aceleração a partir de uma única medição, medir diferentes acelerações em diferentes pontos pode mostrar se há um gradiente gravitacional ao longo da direção da aceleração. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS MARKUS POESSEL, RETOQUE POR PBROKS13)

Pense em como você pode projetar um experimento para medir a força da força gravitacional em qualquer local do espaço. Seu primeiro instinto pode ser algo simples e direto: pegue um objeto em repouso, solte-o para que fique em queda livre e observe como ele acelera.

Ao medir a mudança de posição ao longo do tempo, você pode reconstruir qual deve ser a aceleração nesse local. Se você conhece as regras que governam a força gravitacional – ou seja, você tem a lei correta da física, como as teorias de Newton ou Einstein – você pode usar essas informações para determinar ainda mais informações. Em cada ponto, você pode inferir a força da gravidade ou a quantidade de curvatura do espaço-tempo. Além disso, se você conhece informações adicionais (como a distribuição do assunto relevante), pode até inferir G , a constante gravitacional do Universo.

A lei da Gravitação Universal de Newton baseou-se no conceito de uma ação instantânea (força) à distância e é incrivelmente direta. A constante gravitacional nesta equação, G, juntamente com os valores das duas massas e a distância entre elas, são os únicos fatores na determinação de uma força gravitacional. Embora a teoria de Newton tenha sido substituída pela Relatividade Geral de Einstein, G também aparece na teoria de Einstein. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS DENNIS NILSSON)

Essa abordagem simples foi a primeira a ser adotada para investigar a natureza da gravidade. Com base no trabalho de outros, Galileu determinou a aceleração gravitacional na superfície da Terra. Décadas antes de Newton apresentar sua lei da gravitação universal, os cientistas italianos Francesco Grimaldi e Giovanni Riccioli fizeram os primeiros cálculos da constante gravitacional, G .

Mas experimentos como esse, por mais valiosos que sejam, são limitados. Eles só podem fornecer informações sobre a gravitação ao longo de uma dimensão: em direção ao centro da Terra. A aceleração é baseada na soma de todas as forças líquidas (Newton) que atuam em um objeto ou na curvatura líquida do espaço-tempo (Einstein) em um local específico do Universo. Como você está observando um objeto em queda livre, está obtendo apenas uma imagem simplista.

Segundo a lenda, o primeiro experimento a mostrar que todos os objetos caíram na mesma proporção, independentemente da massa, foi realizado por Galileu Galilei no topo da Torre Inclinada de Pisa. Quaisquer dois objetos lançados em um campo gravitacional, na ausência (ou desprezando) a resistência do ar, irão acelerar até o solo na mesma taxa. Isso foi posteriormente codificado como parte das investigações de Newton sobre o assunto. (GETTY IMAGENS)

Felizmente, também existe uma maneira de obter uma imagem multidimensional: realizar um experimento sensível a mudanças no campo/potencial gravitacional à medida que um objeto muda de posição. Isso foi realizado pela primeira vez, experimentalmente, na década de 1950 pelo Experiência de Libra-Rebka .

O que o experimento fez foi causar uma emissão nuclear em uma altitude baixa, e observe que a absorção nuclear correspondente não ocorreu em uma altitude maior, presumivelmente devido ao desvio gravitacional para o vermelho, como previsto por Einstein. No entanto, se você desse ao emissor de baixa elevação um impulso positivo em sua velocidade, conectando-o a um cone de alto-falante, essa energia extra equilibraria a perda de energia que viaja para cima em um campo gravitacional extraído. Como resultado, o fóton que chega tem a energia certa e ocorre a absorção. Este foi um dos testes clássicos da Relatividade Geral, confirmando Einstein onde as previsões de sua teoria se afastavam das de Newton.

O físico Glen Rebka, na extremidade inferior das Torres Jefferson, Universidade de Harvard, ligando para o professor Pound ao telefone durante a configuração do famoso experimento Pound-Rebka. (CORBIS MEDIA / HARVARD UNIVERSITY)

Podemos fazer ainda melhor do que o experimento de Pound-Rebka hoje, usando a tecnologia dos relógios atômicos. Esses relógios são os melhores cronometristas do Universo, tendo superado os melhores relógios naturais – pulsares – décadas atrás. Agora capaz de monitorar diferenças de tempo para cerca de 18 características significativas entre relógios, o Prêmio Nobel David Wineland liderou uma equipe que demonstrou que elevar um relógio atômico apenas um pé (cerca de 33 cm no experimento) acima de outro causava uma mudança de frequência mensurável no que o relógio registrava como um segundo.

Se fôssemos levar esses dois relógios para qualquer local da Terra e ajustar as alturas como bem entendermos, poderíamos entender como o campo gravitacional muda em função da elevação. Não apenas podemos medir a aceleração gravitacional, mas as mudanças na aceleração à medida que nos afastamos da superfície da Terra.

Uma diferença na altura de dois relógios atômicos de até 33 cm pode levar a uma diferença mensurável na velocidade com que esses relógios funcionam. Isso nos permite medir não apenas a força do campo gravitacional, mas o gradiente do campo em função da altitude/elevação. (DAVID WINELAND AT PERIMETER INSTITUTE, 2015)

Mas mesmo essas conquistas não podem mapear a verdadeira curvatura do espaço. Esse próximo passo não seria alcançado até 2015: exatamente 100 anos depois que Einstein apresentou sua teoria da Relatividade Geral. Além disso, houve outro problema que surgiu nesse ínterim, que é o fato de que vários métodos de medição da constante gravitacional, G , parecem dar respostas diferentes .

Três técnicas experimentais diferentes têm sido usadas para determinar G : balanças de torção, pêndulos de torção e experimentos de interferometria atômica. Nos últimos 15 anos, os valores medidos da constante gravitacional variaram de 6,6757 × 10–11 N/kg2⋅m2 a 6,6719 × 10–11 N/kg2⋅m2. Essa diferença de 0,05%, para uma constante fundamental, a torna uma das constantes mais mal determinadas de toda a natureza.

Em 1997, a equipe de Bagley e Luther realizou um experimento de equilíbrio de torção que produziu um resultado de 6,674 x 10^-11 N/kg²/m², que foi levado a sério o suficiente para lançar dúvidas sobre o significado relatado anteriormente da determinação de G. Observe as variações relativamente grandes nos valores medidos, mesmo desde o ano 2000. (DBACHMANN / WIKIMEDIA COMMONS)

Mas é aí que o novo estudo, publicado pela primeira vez em 2015, mas refinado muitas vezes nos últimos quatro anos, entra. Uma equipe de físicos, trabalhando na Europa, conseguiu conjugar três interferômetros de átomos simultaneamente. Em vez de usar apenas dois locais em alturas diferentes, eles conseguiram obter as diferenças mútuas entre três alturas diferentes em um único local na superfície, o que permite não simplesmente obter uma única diferença, ou mesmo o gradiente do campo gravitacional, mas a mudança no gradiente em função da distância.

Ao explorar como o campo gravitacional muda em função da distância, você pode entender a forma da mudança na curvatura do espaço-tempo. Quando você mede a aceleração gravitacional em um único local, fica sensível a tudo ao seu redor, incluindo o que está no subsolo e como está se movendo. Medir o gradiente do campo é mais informativo do que apenas um único valor; medir como esse gradiente muda fornece ainda mais informações.

O esquema do experimento que mede os três agrupamentos atômicos lançados em sequência rápida e depois excitados por lasers para medir não só a aceleração gravitacional, mas mostrando os efeitos das mudanças de curvatura nunca antes medidos. (G. ROSI ET AL., FÍSICA REV. LETT. 114, 013001, 2015)

É isso que torna esta nova técnica tão poderosa. Não estamos simplesmente indo para um único local e descobrindo qual é a força gravitacional. Nem vamos a um local e descobrimos qual é a força e como essa força está mudando com a elevação. Em vez disso, estamos determinando a força gravitacional, como ela muda com a elevação e como a mudança na força está mudando com a elevação.

Grande coisa, você pode dizer, já conhecemos as leis da física. Sabemos o que essas leis prevêem. Por que eu deveria me importar que estamos medindo algo que confirma com precisão um pouco melhor o que sabíamos que deveria ser verdade o tempo todo?

Bem, há vários motivos. Uma é que fazer várias medições do gradiente de campo simultaneamente permite medir G entre vários locais que elimina uma fonte de erro: o erro induzido quando você move o aparelho. Ao fazer três medições, em vez de duas, simultaneamente, você obtém três diferenças (entre 1 e 2, 2 e 3 e 1 e 3) em vez de apenas 1 (entre 1 e 2).

O topo da torre do relógio real de Makkah corre alguns quadrilionésimos de segundo mais rápido do que o mesmo relógio na base, devido a diferenças no campo gravitacional. Medir as mudanças no gradiente do campo gravitacional fornece ainda mais informações, permitindo-nos finalmente medir a curvatura do espaço diretamente. (AL JAZEERA ENGLISH C/O: FADI EL BENNI)

Mas outra razão que talvez seja ainda mais importante é entender melhor a força gravitacional dos objetos que estamos medindo. A ideia de que conhecemos as regras que governam a gravidade é verdadeira, mas só sabemos qual deve ser a força gravitacional se conhecermos a magnitude e a distribuição de todas as massas relevantes para nossa medição. A Terra, por exemplo, não é uma estrutura uniforme. Existem flutuações na força gravitacional que experimentamos em todos os lugares que vamos, dependendo de fatores como:

• a densidade da crosta sob seus pés,
• a localização do limite crosta-manto,
• a extensão da compensação isostática que ocorre nesse limite,
• a presença ou ausência de reservatórios de petróleo ou outros depósitos subterrâneos de densidade variável,

e assim por diante. Se pudermos implementar essa técnica de interferometria de três átomos onde quisermos na Terra, podemos entender melhor o interior do nosso planeta simplesmente fazendo medições na superfície.

Várias zonas geológicas no manto da Terra criam e movem câmaras de magma, levando a uma variedade de fenômenos geológicos. É possível que a intervenção externa possa desencadear um evento catastrófico. Melhorias na geodésia podem melhorar nossa compreensão do que está acontecendo, existindo e mudando abaixo da superfície da Terra. (KDS4444 / WIKIMEDIA COMMONS)

No futuro, pode ser possível estender essa técnica para medir a curvatura do espaço-tempo não apenas na Terra, mas em qualquer mundo em que possamos colocar um módulo de pouso. Isso inclui outros planetas, luas, asteróides e muito mais. Se quisermos fazer mineração de asteroides, essa pode ser a ferramenta de prospecção definitiva. Poderíamos melhorar significativamente nossos experimentos de geodésia e melhorar nossa capacidade de monitorar o planeta. Poderíamos rastrear melhor as mudanças internas nas câmaras de magma, como apenas um exemplo. Se aplicarmos essa tecnologia às próximas naves espaciais, isso poderia até ajudar a corrigir o ruído newtoniano em observatórios de ondas gravitacionais de próxima geração, como o LISA ou além.

Os cubos de liga de ouro-platina, de importância central para a próxima missão LISA, já foram construídos e testados na missão LISA Pathfinder de prova de conceito. Esta imagem mostra a montagem de uma das cabeças de sensor inercial para o pacote de tecnologia LISA (LTP). Técnicas aprimoradas para contabilizar o ruído newtoniano no experimento podem melhorar significativamente a sensibilidade do LISA. (CGS SPA)

O Universo não é simplesmente feito de massas pontuais, mas de objetos complexos e intrincados. Se quisermos descobrir os sinais mais sensíveis de todos e aprender os detalhes que nos escapam hoje, precisamos nos tornar mais precisos do que nunca. Graças à interferometria de três átomos, podemos, pela primeira vez, medir diretamente a curvatura do espaço.

Compreender o interior da Terra melhor do que nunca é a primeira coisa que vamos ganhar, mas isso é apenas o começo. A descoberta científica não é o fim do jogo; é o ponto de partida para novas aplicações e novas tecnologias. Volte em alguns anos; você pode se surpreender com o que se torna possível com base no que estamos aprendendo pela primeira vez hoje.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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