Pergunte a Ethan: Se a massa curva o espaço-tempo, como ele se descurva novamente?
A curvatura do espaço-tempo em torno de qualquer objeto massivo é determinada pela combinação de massa e distância do centro de massa. Outras preocupações, como velocidade, aceleração e outras fontes de energia, devem ser levadas em consideração. (T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab)
Se o espaço-tempo é como um tecido, e a massa o dobra, o que o achata novamente?
A matéria diz ao espaço como se curvar, e o espaço curvo diz à matéria como se mover. Esse é o princípio básico por trás da Relatividade Geral de Einstein, que ligou, pela primeira vez, o fenômeno da gravidade com o do espaço-tempo e da relatividade. Coloque uma massa em qualquer lugar do Universo e o espaço ao redor dela se curvará em resposta. Mas se você retirar essa massa ou movê-la para outro lugar, o que faz com que o espaço-tempo volte à sua posição não dobrada? Essa é a pergunta Ask Ethan de Edgar Carpenter, que escreve:
Aprendemos que a massa distorce o espaço-tempo, e a curvatura do espaço-tempo em torno da massa explica a gravidade – de modo que um objeto em órbita ao redor da Terra, por exemplo, está realmente indo em linha reta através do espaço-tempo curvo. Ok, isso faz sentido, mas quando a massa (como a Terra) se move através do espaço-tempo e o dobra, por que o espaço-tempo não fica dobrado? Que mecanismo desentorta essa área do espaço-tempo à medida que a massa se move?
Há muita coisa interessante sobre essa pergunta, e a resposta é uma que realmente pode ajudá-lo a entender como a gravidade realmente funciona.
A curvatura do espaço, induzida pelos planetas e pelo Sol em nosso Sistema Solar, deve ser levada em consideração para quaisquer observações que uma espaçonave ou outro observatório faria. Os efeitos da Relatividade Geral, mesmo os sutis, não podem ser ignorados. (NASA/JPL-Caltech, para a missão Cassini)
Por centenas de anos antes de Einstein, nossa melhor teoria gravitacional veio de Newton. O conceito de Universo de Newton era simples, direto e filosoficamente insatisfatório para muitos. Ele alegou que quaisquer duas massas no Universo, não importa onde elas estivessem localizadas ou quão distantes estivessem, se atrairiam instantaneamente através de uma força mútua conhecida como gravidade. Quanto mais massiva era cada massa, maior a força, e quanto mais distantes estavam (ao quadrado), menor a força. Isso se aplicaria a todos os objetos do Universo, e a Lei da Gravitação Universal de Newton, ao contrário de todas as outras alternativas apresentadas, concordava precisamente com as observações.
A lei da gravitação universal de Newton foi substituída pela relatividade geral de Einstein, mas baseou-se no conceito de uma ação instantânea (força) à distância. (Usuário do Wikimedia Commons Dennis Nilsson)
Mas introduziu uma ideia que muitos dos principais intelectuais da época não podiam aceitar: o conceito de ação à distância. Como dois objetos localizados a meio universo de distância de repente e instantaneamente podem exercer uma força um sobre o outro? Como eles poderiam interagir de tão longe sem que nada interviesse para mediar isso? Descartes não pôde aceitá-lo e, em vez disso, formulou uma alternativa onde havia um meio pelo qual a gravidade viajava. O espaço é preenchido com um tipo de matéria, argumentou ele, e que, à medida que uma massa se movia através dele, deslocava essa matéria e criava vórtices: uma versão inicial do éter. Este foi o primeiro de uma longa linha do que seria chamado teorias mecânicas (ou cinéticas) da gravidade .
Na visão da gravidade de Descartes, havia um éter permeando o espaço, e somente o deslocamento da matéria através dele poderia explicar a gravitação. Isso não levou a uma formulação precisa da gravidade que combinasse com as observações. (René Descartes: Princípios da Filosofia, Parte 3)
A concepção de Descartes, é claro, estava errada. A concordância com a experiência é o que determina a utilidade de uma teoria física, não nossas predisposições para certos critérios estéticos. Quando a Relatividade Geral surgiu, mudou o quadro que as leis de Newton haviam pintado para nós de algumas maneiras fundamentais. Por exemplo:
- O espaço e o tempo não eram absolutos e iguais em todos os lugares, mas se relacionavam e se comportavam de maneira diferente para observadores que se moviam em diferentes velocidades e em diferentes locais.
- A gravitação não é instantânea, mas viaja apenas a uma velocidade limite: a velocidade da luz.
- E essa gravitação não é determinada diretamente pela massa e posição, mas pela curvatura do espaço, que é determinada pelo conjunto completo de matéria e energia em todo o Universo.
A ação à distância veio para ficar, mas a força de alcance infinito de Newton através do espaço estático foi substituída pela curvatura do espaço-tempo.
A curvatura do espaço significa que os relógios que estão mais profundos em um poço gravitacional – e, portanto, em um espaço mais severamente curvo – funcionam a uma taxa diferente dos relógios em uma porção mais rasa e menos curva do espaço. (NASA)
Se o Sol simplesmente desaparecesse, desaparecendo do Universo, não saberíamos por algum tempo. A Terra não voaria imediatamente em linha reta; ele continua orbitando a localização do Sol por mais 8 minutos e 20 segundos. Não é a massa que determina a gravitação, mas sim a curvatura do espaço, que é determinada pela soma de toda a matéria e energia nele contida.
Se você tirasse o Sol, o espaço passaria de curvo a plano, mas essa transformação não é instantânea. Como o espaço-tempo é um tecido, essa transição teria que ocorrer em algum tipo de movimento de encaixe, que enviaria ondulações muito grandes – ou seja, ondas gravitacionais – através do Universo, propagando-se para fora como ondulações em uma lagoa.
Seja através de um meio ou no vácuo, cada ondulação que se propaga tem uma velocidade de propagação. Em nenhum caso a velocidade de propagação é infinita e, em teoria, a velocidade com que as ondulações gravitacionais se propagam deve ser a mesma que a velocidade máxima do Universo: a velocidade da luz. (Sergiu Bacioiu da Romênia)
A velocidade dessas ondulações é determinada da mesma forma que a velocidade de qualquer coisa é determinada na relatividade: por sua energia e sua massa. Como as ondas gravitacionais não têm massa, mas têm energia finita, elas devem se mover na velocidade da luz. O que significa, se você pensar bem, que a Terra não é diretamente atraída pela localização do Sol no espaço, mas sim por onde o Sol estava localizado há pouco mais de 8 minutos.
A radiação gravitacional é emitida sempre que uma massa orbita outra, o que significa que em escalas de tempo suficientemente longas, as órbitas decairão. Algum dia no futuro, a Terra entrará em espiral no que sobrou do Sol, supondo que nada mais o tenha ejetado anteriormente. A Terra é atraída para onde o Sol estava há aproximadamente 8 minutos, não para onde está no momento. (Sociedade Americana de Física)
Isso é estranho e potencialmente um problema, por causa de quão bem estudado é o Sistema Solar. Se a Terra fosse atraída para a posição do Sol ~ 8 minutos atrás usando as Leis de Newton, as órbitas dos planetas não corresponderiam às observações. Há outra maneira pela qual a Relatividade Geral é diferente, no entanto. Você também precisa levar em consideração a velocidade do planeta em órbita à medida que se move ao redor do Sol.
A Terra, por exemplo, como também está se movendo, meio que cavalga sobre as ondulações que viajam pelo espaço, descendo em um ponto diferente de onde foi levantada. Há dois novos efeitos acontecendo na Relatividade Geral que tornam essa teoria muito diferente da de Newton: a velocidade de cada objeto afeta como ele experimenta a gravidade, assim como as mudanças que ocorrem nos campos gravitacionais.
O tecido do espaço-tempo, ilustrado, com ondulações e deformações devido à massa. O tecido do espaço se curva, com certeza, mas à medida que as massas se movem através de um campo gravitacional variável, muitas coisas interessantes acontecem. (Lionel Bret/Euriolos)
Se você quiser calcular qual é a curvatura do espaço-tempo em qualquer ponto do espaço, a Relatividade Geral permite que você faça isso, mas você precisa saber algumas coisas. Você precisa conhecer as localizações, magnitudes e distribuições de todas as massas no Universo, exatamente como Newton exigia. Mas você também precisa de informações sobre:
- como essas massas estão se movendo e como elas se moveram ao longo do tempo,
- como todas as outras formas (não-massa) de energia são distribuídas,
- como o objeto que você está observando/medindo está se movendo em um campo gravitacional variável,
- e como a curvatura espacial está mudando ao longo do tempo.
Somente com essas informações adicionais você pode calcular como o espaço é curvado para você em um local específico no espaço e no tempo.
Não são apenas as localizações e magnitudes das massas que determinam como a gravidade funciona e o espaço-tempo evolui, mas sim como essas massas se movem uma em relação à outra e aceleram através de um campo gravitacional variável ao longo do tempo. (David Champion, Instituto Max Planck de Radioastronomia)
No entanto, deve haver um custo para essa flexão e inflexão. Você não pode simplesmente mover, digamos, uma Terra acelerada através do campo gravitacional variável do Sol e não ter uma consequência. Na verdade, está lá, mesmo sendo pequeno, e pode ser testado. Ao contrário da teoria de Newton, onde a Terra deve traçar uma elipse fechada enquanto orbita o Sol, a Relatividade Geral prevê que essa elipse deve precessar ao longo do tempo e que a órbita deve decair muito lentamente. Pode levar muito mais tempo do que a idade do Universo para fazê-lo, mas não seria arbitrariamente estável.
Antes de medirmos qualquer onda gravitacional, na verdade, esse era o principal método que tínhamos para medir a velocidade da gravidade. Não para a Terra, lembre-se, mas para um sistema extremo onde as mudanças orbitais são facilmente observadas: para um sistema de órbita apertada contendo pelo menos uma estrela de nêutrons.
Os maiores efeitos aparecerão para um objeto massivo movendo-se com uma velocidade que muda rapidamente através de um campo gravitacional forte e variável. É isso que uma estrela de nêutrons binária nos dá! À medida que uma ou ambas as estrelas de nêutrons orbitam, elas pulsam, e os pulsos são visíveis para nós aqui na Terra cada vez que o pólo de uma estrela de nêutrons passa por nossa linha de visão. As previsões da teoria da gravidade de Einstein são incrivelmente sensíveis à velocidade da luz, tanto que mesmo desde o primeiro sistema de pulsar binário descoberto na década de 1980, PSR 1913+16 (ou o Binário Hulse-Taylor ), restringimos a velocidade da gravidade para ser igual à velocidade da luz com um erro de medição de apenas 0,2% !
A taxa de decaimento orbital de um pulsar binário é altamente dependente da velocidade da gravidade e dos parâmetros orbitais do sistema binário. Usamos dados binários de pulsar para restringir a velocidade da gravidade a ser igual à velocidade da luz com uma precisão de 99,8%. (NASA (L), Instituto Max Planck de Radioastronomia / Michael Kramer (R))
Apenas com esses pulsares binários, aprendemos que a velocidade da gravidade deve estar entre 2,993 × 10⁸ e 3,003 × 10⁸ metros por segundo. Podemos confirmar a Relatividade Geral e descartar a gravidade de Newton e muitas outras alternativas. Mas não há um mecanismo necessário para explicar por que o espaço não é curvo quando a massa já esteve lá e agora não é; A própria Relatividade Geral é a explicação. Uma massa que acelera através de um campo gravitacional em mudança irradiará energia, e essa energia irradiada é uma ondulação através do tecido do espaço conhecida como ondas gravitacionais. Sem matéria ou energia lá, não há nada para manter a curvatura do espaço. O retorno ao seu estado de equilíbrio, não curvado, acontece naturalmente, e simplesmente resulta em radiação gravitacional. Não precisa de mais explicações. A Relatividade Geral resolve tudo.
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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