Pergunte a Ethan: O espaço-tempo é real?
Uma ilustração do espaço-tempo fortemente curvo, fora do horizonte de eventos de um buraco negro. À medida que você se aproxima cada vez mais da localização da massa, o espaço se torna mais curvado, levando a um local de dentro do qual nem a luz pode escapar: o horizonte de eventos. (USUÁRIO DO PIXABAY JOHNSONMARTIN)
O espaço e o tempo são reais como os átomos, ou o espaço-tempo é apenas uma ferramenta de cálculo?
Quando a maioria de nós pensa no Universo, pensamos nos objetos materiais que estão lá fora nas grandes distâncias cósmicas. A matéria colapsa sob sua própria gravidade para formar estruturas cósmicas como galáxias, nuvens de gás se contraem para formar estrelas e planetas; as estrelas emitem luz queimando seu combustível através da fusão nuclear; essa luz viaja por todo o Universo, iluminando tudo com que entra em contato. Mas há mais no Universo do que os objetos dentro dele. Há também o tecido do espaço-tempo, que tem seu próprio conjunto de regras pelas quais joga: Relatividade Geral. O tecido do espaço-tempo é curvo pela presença de matéria e energia, e o próprio espaço-tempo curvo diz à matéria e à energia como se mover através dele. Mas o que, exatamente, é o espaço-tempo, e é uma coisa real ou apenas uma ferramenta de cálculo? Essa é a indagação de Dave Drews, que quer saber:
O que exatamente é o espaço-tempo? É uma coisa real como um átomo, ou apenas uma construção matemática que é usada para descrever como a massa “gera” a gravidade?
É uma pergunta excelente e difícil de entender. Além disso, antes de Einstein aparecer, nossa concepção do Universo era muito diferente da que temos hoje. Vamos voltar ao Universo antes mesmo de termos o conceito de espaço-tempo, e então avançar para onde estamos hoje.
Das escalas macroscópicas às subatômicas, os tamanhos das partículas fundamentais desempenham apenas um pequeno papel na determinação dos tamanhos das estruturas compostas. Ainda não se sabe se os blocos de construção são partículas verdadeiramente fundamentais e/ou pontuais, mas entendemos o Universo desde grandes escalas cósmicas até minúsculas e subatômicas. Existem cerca de 1⁰²⁸ átomos que compõem cada corpo humano, no total. (MAGDALENA KOWALSKA / CERN / EQUIPE ISOLDE)
Em um nível fundamental, supúnhamos há muito tempo que, se você pegasse tudo o que estava no Universo e o cortasse em constituintes cada vez menores, acabaria chegando a algo que era indivisível. Literalmente, é isso que a palavra átomo significa: do grego ἄτομος: não pode ser cortado. O primeiro registro que temos dessa ideia remonta a cerca de 2.400 anos até Demócrito de Abdera, mas é plausível que possa remontar ainda mais. Essas entidades não cortáveis existem; cada um é conhecido como uma partícula quântica. Apesar de termos tomado o nome de átomo para os elementos da tabela periódica, na verdade são partículas subatômicas como quarks, glúons e elétrons (assim como partículas que não são encontradas em átomos) que são verdadeiramente indivisíveis.
Esses quanta se unem para construir todas as estruturas complexas que conhecemos no Universo, de prótons a átomos, moléculas e seres humanos. E, no entanto, não importa com que tipos de quanta lidamos – matéria ou antimatéria, estruturas massivas ou sem massa, fundamentais ou compostas, em escalas subatômicas ou cósmicas – esses quanta só existem dentro do mesmo Universo que nós.
Se você conhece todas as regras que governam como um objeto se moverá no espaço-tempo, bem como as condições iniciais e o exercício de forças entre o objeto e o restante do seu sistema, você deve ser capaz de prever como esse objeto se moverá no espaço e no espaço. Tempo. Você não pode descrever a posição de um objeto com precisão sem incluir uma coordenada de tempo além das espaciais. (TRISTAN FEWINGS/GETTY IMAGES)
Isso é importante, porque se você quer que as coisas em seu Universo façam coisas umas com as outras – interajam, se unam, formem estruturas, transfiram energia, etc. – tem que haver uma maneira de as diferentes coisas que existem dentro do Universo afetam um ao outro. É semelhante a ter uma peça onde você tem todos os personagens desenvolvidos, todos os atores prontos para interpretá-los, todos os figurinos prontos para serem usados e todas as falas escritas e memorizadas. A única coisa que falta, e ainda assim muito necessária para que a peça ocorra, é um palco.
O que é esse estágio, então, na física?
Antes de Einstein aparecer, o palco foi montado por Newton. Todos os atores do Universo podem ser descritos por um conjunto de coordenadas: uma localização no espaço tridimensional (uma posição), bem como um momento no tempo (um instante). Você pode visualizá-lo como uma grade cartesiana: uma estrutura tridimensional com um x , e e com eixo, onde cada quantum também pode ter um momento, descrevendo seu movimento através do espaço em função do tempo. O próprio tempo foi assumido como linear, sempre passando na mesma velocidade. Na imagem de Newton, tanto o espaço quanto o tempo eram absolutos.
Frequentemente visualizamos o espaço como uma grade 3D, mesmo que isso seja uma simplificação excessiva dependente do quadro quando consideramos o conceito de espaço-tempo. Na realidade, o espaço-tempo é curvado pela presença de matéria e energia, e as distâncias não são fixas, mas podem evoluir à medida que o Universo se expande ou se contrai. (REUNMEDIA / STORYBLOCKS)
No entanto, a descoberta da radioatividade no final do século 19 começou a colocar em dúvida a imagem de Newton. O fato de os átomos poderem emitir partículas subatômicas que se movem perto da velocidade da luz nos ensinou algo emocionante: quando uma partícula se move perto da velocidade da luz, ela experimenta o espaço e o tempo de maneira muito diferente de algo que se move lentamente ou está em repouso.
Partículas instáveis que decairiam muito rapidamente em repouso viveriam mais quanto mais próximas da velocidade da luz elas se movessem. Essas mesmas partículas viajaram distâncias maiores do que suas velocidades e tempos de vida indicariam antes de decair. E se você tentasse calcular a energia ou momento de uma partícula em movimento, diferentes observadores (ou seja, pessoas observando a partícula e se movendo em velocidades diferentes em relação a ela) calculariam valores inconsistentes entre si.
Algo deve ser falho na concepção de espaço e tempo de Newton. Em velocidades próximas à velocidade da luz, o tempo se dilata, os comprimentos se contraem e a energia e o momento realmente dependem do quadro. Em suma, a maneira como você experimenta o Universo depende do seu movimento através dele.
Um relógio de luz, formado por um fóton saltando entre dois espelhos, definirá o tempo para qualquer observador. Embora os dois observadores possam não concordar um com o outro sobre quanto tempo está passando, eles concordarão nas leis da física e nas constantes do Universo, como a velocidade da luz. Um observador estacionário verá o tempo passar normalmente, mas um observador movendo-se rapidamente pelo espaço terá seu relógio mais lento em relação ao observador estacionário. (JOÃO D. NORTON)
Einstein foi responsável pelo notável avanço do conceito de relatividade, que identificava quais quantidades eram invariantes e não mudavam com o movimento do observador e quais eram dependentes do referencial. A velocidade da luz, por exemplo, é a mesma para todos os observadores, assim como a massa de repouso de qualquer quantum de matéria. Mas a distância espacial que você perceberia entre dois pontos dependia muito do seu movimento ao longo da direção que conecta esses pontos. Da mesma forma, a taxa em que seu relógio funcionou enquanto você viajava de um ponto a outro também dependia de seu movimento.
O espaço e o tempo não eram absolutos, como intuiu Newton, mas eram experimentados de forma diferente por diferentes observadores: eram relativo , de onde vem o nome relatividade. Além disso, havia uma relação específica entre como qualquer observador em particular experimentava o espaço e como eles experimentavam o tempo: algo que foi montado alguns anos depois que Einstein apresentou sua teoria da relatividade especial por seu ex-professor, Hermann Minkowski, que apresentou uma estrutura matemática unificada que engloba o espaço e o tempo juntos: o espaço-tempo. Como o próprio Minkowski disse,
Doravante, o espaço por si mesmo e o tempo por si só estão condenados a desaparecer em meras sombras, e apenas uma espécie de união dos dois preservará uma realidade independente.
Hoje, esse espaço-tempo ainda é comumente usado como nosso palco sempre que negligenciamos a gravidade: Espaço Minkowski .
Um exemplo de um cone de luz, a superfície tridimensional de todos os raios de luz possíveis que chegam e partem de um ponto no espaço-tempo. Quanto mais você se move no espaço, menos você se move no tempo e vice-versa. Somente as coisas contidas em seu cone de luz passado podem afetá-lo hoje; somente as coisas contidas em seu futuro cone de luz podem ser percebidas por você no futuro. Isso ilustra o espaço plano de Minkowski, não o espaço curvo da Relatividade Geral. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO MISSMJ)
Mas em nosso universo real, temos gravitação. A gravidade não é uma força que age instantaneamente nos confins do espaço, mas apenas se propaga na mesma velocidade em que todos os quanta sem massa se movem: a velocidade da luz. (Sim, a velocidade da gravidade é igual a velocidade da luz .) Todas as regras que foram formuladas na relatividade especial ainda se aplicam ao Universo, mas para trazer a gravidade para a dobra, era necessário algo extra: a noção de que o próprio espaço-tempo tinha uma curvatura intrínseca a ele que dependia da presença de matéria e energia dentro dele.
É simples, em certo sentido: quando você coloca um conjunto de atores em um palco, esse palco precisa suportar o peso dos próprios atores. Se os atores forem suficientemente grandes e o palco não for perfeitamente rígido, o próprio palco se deformará devido à presença dos atores.
O mesmo fenômeno está em jogo com o espaço-tempo: a presença de matéria e energia o curva, e essa curvatura afeta tanto as distâncias (espaço) quanto a velocidade com que os relógios funcionam (tempo). Além disso, afeta os dois de uma maneira intrincada, onde se você calcular os efeitos que a matéria e a energia têm no espaço-tempo, o efeito espacial e os efeitos temporais estão relacionados. Em vez das linhas de grade tridimensionais que imaginamos na relatividade especial, essas linhas de grade agora são curvas na Relatividade Geral.
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. Observe que eles parecem se arrastar em direção, em vez de se afastar, da massa em questão. (CHRISTOPHER VITALE DAS REDES E O INSTITUTO PRATT)
Você pode, se quiser, conceituar o espaço-tempo como uma ferramenta puramente de cálculo e nunca ir mais fundo do que isso. Matematicamente, todo espaço-tempo pode ser descrito por um tensor métrico: um formalismo que permite calcular como qualquer campo, linha, arco, distância, etc., pode existir de forma bem definida. O espaço pode ser plano ou curvo de forma arbitrária; o espaço pode ser finito ou infinito; o espaço pode ser aberto ou fechado; o espaço pode conter qualquer número de dimensões. Na Relatividade Geral, o tensor métrico é quadridimensional (com três dimensões de espaço e uma dimensão de tempo), e o que determina a curvatura do espaço-tempo é a matéria, a energia e as tensões presentes nele.
Em linguagem simples, o conteúdo do seu Universo determina como o espaço-tempo é curvo. Você pode então pegar a curvatura do espaço-tempo e usá-la para prever como cada quanta de matéria e energia se moverá e evoluirá em seu Universo. As regras da Relatividade Geral nos permitem prever como matéria, luz, antimatéria, neutrinos e até ondas gravitacionais se moverão pelo Universo, e essas previsões se alinham perfeitamente com o que observamos e medimos.
O sinal do evento de onda gravitacional GW190521, como visto em todos os três detectores. Toda a duração do sinal durou apenas ~ 13 milissegundos, mas representa a energia equivalente a 8 massas solares convertidas em energia pura via E = mc² de Einstein. (R. ABBOTT ET AL. (COLABORAÇÃO LIGO CIENTÍFICA E COLABORAÇÃO VIRGEM), PHYS. REV. LETT. 125, 101102)
O que não medimos, porém, é o próprio espaço-tempo. Podemos medir distâncias e podemos medir intervalos de tempo, mas essas são apenas sondas indiretas do espaço-tempo subjacente. Podemos medir qualquer coisa que interaja conosco — nossos corpos, nossos instrumentos, nossos detectores etc. — mas uma interação só ocorre quando dois quanta ocupam o mesmo ponto no espaço-tempo: quando se encontram em um evento.
Podemos medir cada um dos efeitos que o espaço-tempo curvo tem sobre a matéria e a energia do Universo, incluindo:
- o desvio para o vermelho da radiação devido à expansão do Universo,
- a curvatura da luz devido à presença de massas em primeiro plano,
- os efeitos do arrasto do quadro em um corpo giratório,
- a precessão adicional de órbitas devido a efeitos gravitacionais que vão além do que Newton previu,
- como a luz ganha energia quando cai mais fundo em um campo gravitacional e perde energia quando sai dele,
e muitos, muitos outros. Mas o fato de que só podemos medir os efeitos do espaço-tempo sobre a matéria e a energia do Universo, e não o próprio espaço-tempo, nos diz que o espaço-tempo se comporta de forma indistinguível de uma ferramenta puramente calculista.
A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Se você estender o Modelo Padrão para incluir a gravidade, a simetria que descreve a CPT (a simetria de Lorentz) pode se tornar apenas uma simetria aproximada, permitindo violações. Até agora, no entanto, não foram observadas tais violações experimentais. (LACELERATOR LABORATÓRIO NACIONAL DO SLAC)
Mas isso não significa que o próprio espaço-tempo não seja uma entidade fisicamente real. Se você tiver atores encenando uma peça, você chamaria o local onde a peça aconteceu, com razão, de palco, mesmo que fosse simplesmente um campo, uma plataforma, terra nua etc. espaço, você simplesmente notaria que eles estavam usando seu referencial de queda livre como um palco.
No universo físico, pelo menos como nós o entendemos, você não pode ter quanta ou interações entre eles sem o espaço-tempo para eles existirem. da natureza. Em certo sentido, o nada é o vácuo do espaço-tempo vazio, e falar sobre o que ocorre na ausência de espaço-tempo é tão absurdo - pelo menos do ponto de vista da física - quanto falar sobre um onde está fora dos limites do espaço ou quando está fora das fronteiras do tempo. Tal coisa pode existir, mas não temos nenhuma concepção física dela.
Uma visão animada de como o espaço-tempo responde à medida que uma massa se move através dele ajuda a mostrar exatamente como, qualitativamente, não é apenas uma folha de tecido. Em vez disso, todo o próprio espaço 3D fica curvado pela presença e propriedades da matéria e energia dentro do Universo. Múltiplas massas em órbita umas das outras causarão a emissão de ondas gravitacionais. (LUCASVB)
Talvez o mais interessante, quando se trata da natureza do espaço-tempo, há tantas perguntas que permanecem sem resposta. O espaço e o tempo são inerentemente quânticos e discretos, onde eles próprios são divididos em pedaços indivisíveis, ou são contínuos? A gravidade é inerentemente quântica por natureza como as outras forças conhecidas, ou é de alguma forma não quântica: um tecido clássico e contínuo até a escala de Planck? E se o espaço-tempo é algo diferente do que a Relatividade Geral dita que deveria ser, como ele é diferente e de que maneira (s) seremos capazes de detectar isso?
Mas apesar de todas as coisas que o espaço-tempo nos permite prever e saber, não é real da mesma forma que um átomo é real. Não há nada que você possa fazer para detectar o espaço-tempo diretamente; você só pode detectar os quanta individuais de matéria e energia que existem em seu espaço-tempo. Encontramos uma descrição do espaço-tempo na forma da Relatividade Geral de Einstein que pode prever e explicar com sucesso todos os fenômenos físicos que já observamos ou medimos, mas até onde exatamente é – e se é real ou não – isso não é uma pergunta para a qual a ciência ainda descobriu a resposta.
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Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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