Pergunte a Ethan: O espaço-tempo é realmente um tecido?
Na imagem newtoniana da gravidade, espaço e tempo são quantidades absolutas e fixas, enquanto na imagem einsteiniana, o espaço-tempo é uma estrutura única e unificada onde as três dimensões do espaço e a dimensão única do tempo estão inextricavelmente ligadas. (NASA)
Na Relatividade Geral, mesmo o espaço e o tempo não são o que parecem.
A gravidade pode ter sido a primeira força fundamental já descoberta, mas de muitas maneiras, continua sendo a menos compreendida. Sabemos que é sempre atraente e que quaisquer duas massas no Universo, não importa onde estejam, experimentarão sua força. Quando Einstein elaborou sua teoria geral da relatividade, um dos grandes avanços foi reconhecer que espaço e tempo estavam combinados em uma única entidade: o espaço-tempo. Outra era que a presença de matéria e energia curvava o próprio tecido desse espaço-tempo, e esse espaço-tempo curvo, por sua vez, ditava como a matéria se movia. Mas será que esta foto está certa? Mariusz Wroblewski é cético, perguntando:
Eu gostaria que alguém finalmente reconhecesse e admitisse que mostrar bolas em um lençol não é uma imagem da realidade.
Eu livremente reconheço e admito isso. Por mais onipresentes que sejam as imagens de folhas dobradas ou sistemas de coordenadas, elas não refletem exatamente a realidade em que habitamos.
A curvatura do espaço-tempo em torno de qualquer objeto massivo é determinada pela combinação de massa e distância do centro de massa. No entanto, essa representação bidimensional do espaço-tempo não é necessariamente a maneira mais precisa de percebê-lo. (T. PYLE/CALTECH/MIT/LIGO LAB)
Se você já viu uma imagem de uma grade bidimensional dobrada com massas representando o espaço, saberá que esse tipo de ilustração é extremamente comum. Parece representar o tecido do espaço como sendo curvado pela presença de massa e, portanto, qualquer outra partícula viajando ao longo desse tecido terá seu caminho dobrado em direção a essa fonte gravitacional. Quanto maior a massa e quanto mais próximo você chega dela, maior a curvatura e, portanto, maior a flexão.
Isso parece se alinhar, pelo menos intuitivamente, com os experimentos e observações que ocorreram para verificar e validar a Relatividade Geral nos últimos quase 100 anos. Desde a curvatura da luz das estrelas de fundo durante um eclipse solar total até o efeito das lentes gravitacionais hoje, pelo menos qualitativamente, a imagem parece concordar.
Os resultados da expedição de Eddington de 1919 mostraram, de forma conclusiva, que a Teoria Geral da Relatividade descrevia a curvatura da luz das estrelas em torno de objetos massivos, derrubando a imagem newtoniana. Esta foi a primeira confirmação observacional da Relatividade Geral de Einstein e parece estar alinhada com a visualização do “tecido do espaço dobrado”. (THE ILUSTRADO LONDRES NEWS, 1919)
Mas o que essa imagem realmente implicaria? Se o espaço é como um tecido, como a massa o curva?
Parece que uma massa de alguma forma é puxada para baixo no tecido e, em seguida, as outras partículas que viajam por esse espaço também são puxadas para baixo por alguma força invisível e misteriosa. Claramente, isso não pode estar certo, porque não há gravitação externa em jogo! Além disso, as linhas da grade se curvam para longe, em vez de para a massa, o que também não pode estar certo, especialmente se a gravidade for atraente.
A gravidade simplesmente é, e é apenas que as equações que descrevem a Relatividade Geral são de natureza geométrica. A ideia de que o espaço de curvas de massa e energia pode estar certa, embora essa visualização ingênua deva estar errada.
A ideia de que o espaço é um tecido tem suas limitações. É bastante claro que uma grande massa não pode puxar esse tecido “para baixo” e fazer com que os outros objetos dentro dele se movam ao longo de um caminho curvo. O espaço-tempo pode obedecer a equações geométricas e ser curvo, mas não assim. (DAVID CAMPEÃO, INSTITUTO MAX PLANCK DE RÁDIO ASTRONOMIA)
Em vez disso, podemos fazer melhor indo para o número correto de dimensões espaciais: três.
Imagine, para começar, que temos um espaço completamente vazio. Não há massas próximas; não há radiação; não há matéria escura, energia escura, neutrinos ou qualquer outra coisa que possa fazer com que esse espaço se curve. Também não há curvatura intrínseca.
Em vez disso, imagine que o espaço é plano, estático e vazio. Se insistíssemos em desenhar uma grade, como uma sobreposição matemática, sobre o próprio espaço, eis como seria.
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. Se você colocar uma partícula nesta grade e permitir que o Universo se expanda, a partícula parecerá se afastar de você. (REUNMEDIA / STORYBLOCKS)
Agora, vamos colocar uma massa neste espaço-tempo. A massa tem que curvar o espaço-tempo, mas na verdade não é um tecido: é simplesmente o nada que compõe o próprio Universo vazio. As equações da Relatividade Geral nos dizem como essa curvatura funciona, geometricamente, mas não nos dizem como visualizá-la.
Uma maneira brilhante de fazer isso, no entanto, é desenhar suas linhas de grade como se elas representassem a força experimentada por uma partícula de poeira sem pressão e de massa insignificante que está em repouso em relação à nova massa. Quanto maior a força que a partícula experimentaria, maior a curvatura do espaço-tempo. Se fôssemos desenhar isso, chegaríamos a uma imagem muito diferente e potencialmente mais útil.
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)
O maior problema com esta imagem é que é difícil de desenhar!
Felizmente, com o advento da animação por computador, podemos visualizar como o próprio espaço se curva mesmo com objetos em movimento. Lembre-se, não é realmente um tecido, mas ocupa a totalidade do Universo. O espaço-tempo simplesmente é: é o que sobra quando tiramos tudo do Universo que somos capazes de tirar. Quando colocamos coisas como massas no Universo, o espaço-tempo ainda está lá também, mas suas propriedades são alteradas pelo que quer que esteja dentro dele. Quanto maior a massa que você coloca dentro dela, mais o espaço-tempo se curva.
Isso é verdade mesmo para uma única massa que simplesmente movemos. Podia mover-se em linha reta ou ao longo de um caminho curvo; ela podia se mover naturalmente (por causa do movimento de outras massas) ou artificialmente (porque uma força externa a movia). De qualquer forma, não faz muita diferença. A verdadeira questão é que, à medida que as massas se movem pelo espaço, a geometria que descreve o espaço-tempo muda.
Como resultado, os objetos que residem nesse espaço, sejam eles maciços ou sem massa, mudarão seu movimento em resposta à presença e propriedades de toda a matéria e energia dentro dele. A explicação de John Wheeler, de que a massa diz ao espaço como se curvar, enquanto o espaço curvo diz à matéria como se mover, ainda vale.
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, mas todo o espaço se curva pela presença e propriedades da matéria e energia dentro do Universo. (LUCASVB)
Você pode falar sobre o espaço como um tecido, mas se o fizer, esteja ciente de que o que você está fazendo é reduzir implicitamente sua perspectiva a uma analogia bidimensional. O espaço em nosso Universo é tridimensional e, quando você o combina com o tempo, obtém uma quantidade de quatro dimensões. Quando se trata da noção de curvatura do espaço-tempo, é a isso que a Relatividade Geral se refere.
Mas sob nenhuma circunstância você deve conceber o espaço como se fosse uma coisa material, física; não é. Esta é apenas uma estrutura matemática que podemos escrever equações para descrever: as equações da Relatividade Geral de Einstein. O fato de que a matéria e a radiação respondem a essa curvatura da maneira exata que as equações predizem valida essa teoria, mas não significa que o espaço seja realmente um tecido.
Uma ilustração de lentes gravitacionais mostra como as galáxias de fundo – ou qualquer caminho de luz – são distorcidas pela presença de uma massa intermediária, como um aglomerado de galáxias em primeiro plano. A analogia do ‘tecido do espaço’ é apenas uma analogia e não é fisicamente significativa. (NASA/ESA)
Também falamos sobre o Universo em expansão no contexto de que 'o tecido do espaço está se esticando', mesmo que não haja tecido e não esteja realmente se esticando, ou seja, mudando de alguma forma. O que está acontecendo é simplesmente que a distância entre quaisquer dois pontos no Universo está mudando de acordo com um conjunto particular de regras no contexto da Relatividade Geral. Galáxias, como passas embutidas em um pedaço de pão assando, expandem-se umas das outras. O comprimento de onda da radiação também fica mais longo, como se o comprimento das cristas e vales das ondas também se afastasse um do outro.
Mas, na realidade, não há nenhum tecido causando a expansão. Na analogia da passa/pão, as passas (galáxias) são fisicamente reais, mas o pão (tecido do espaço) é apenas uma visualização.
O modelo de “pão de passas” do Universo em expansão, onde as distâncias relativas aumentam à medida que o espaço (massa) se expande. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)
Uma das ideias mais paradoxais para entender em toda a física é que as equações que descrevem o Universo são apenas isso: equações que descrevem coisas que podemos observar fisicamente. Não podemos observar o ‘tecido do espaço’ mais do que podemos observar o nada do espaço-tempo vazio; simplesmente existe. Qualquer visualização que tentamos atribuir a ele, seja um tecido 2D, uma grade 3D ou uma bola de massa assada, é apenas isso: uma criação inspirada no ser humano. A teoria em si não exige isso.
Na grande imagem à esquerda, as muitas galáxias de um aglomerado maciço chamado MACS J1149+2223 dominam a cena. A lente gravitacional do aglomerado gigante iluminou a luz da galáxia recém-descoberta, conhecida como MACS 1149-JD, cerca de 15 vezes. No canto superior direito, um zoom parcial mostra o MACS 1149-JD com mais detalhes e um zoom mais profundo aparece no canto inferior direito. Isso é correto e consistente com a Relatividade Geral e independente de como visualizamos (ou visualizamos) o espaço. (NASA/ESA/STSCI/JHU)
O que podemos observar, no entanto, são os objetos físicos – a matéria e a radiação – presentes naquele espaço. Essas são as entidades que podemos medir, e são as previsões para o comportamento desses objetos que nos permitem testar teorias como a Relatividade Geral de Einstein. Não aceitamos muito bem a matemática como ela é, então optamos por fazer analogias para nos ajudar a imaginar o que está acontecendo com o Universo. O sucesso da Relatividade Geral aumenta e diminui com observações e medições. Podemos observar as consequências mensuráveis dessa teoria, mas não a estrutura real do espaço-tempo, mesmo que seja prevista pela própria teoria subjacente.
Todas as analogias, nesse sentido, têm limitações e falhas. Podemos escolher uma visualização menos errada, talvez, do que uma imagem 2D de um tecido dobrado, mas não há resposta correta. A Relatividade Geral nos diz o que o Universo faz, dada a matéria e a energia distribuídas de uma maneira específica, e nossas observações são consistentes com isso. Podemos optar por visualizá-lo da maneira que fizer mais sentido para nós, mas todas as visualizações são inerentemente falhas. O melhor que podemos fazer é tentar compreender o Universo, por mais intrigante que seja, como realmente é.
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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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