Pergunte a Ethan: Por que a gravidade não acontece instantaneamente?
Dois buracos negros, cada um com discos de acreção, são ilustrados aqui antes de colidirem. A inspiração e a fusão de buracos negros binários forneceram à humanidade nossa primeira medição direta de ondas gravitacionais e, com ela, nossa primeira medição direta da velocidade da gravidade. Não é instantâneo. (MARK MYERS, ARC CENTRO DE EXCELÊNCIA PARA A DESCOBERTA DE ONDAS GRAVITACIONAIS (OZGRAV))
Ele não se propaga em velocidades infinitas, e isso é um problema para Newton.
Quando você olha para o Sol, a luz que está vendo não é a luz que está sendo emitida agora. Em vez disso, você está vendo uma luz com pouco mais de oito minutos, já que o Sol está a cerca de 150 milhões de quilômetros (93 milhões de milhas) de distância, e a luz - embora seja rápida - só pode viajar pelo Universo a uma velocidade específica: o velocidade da luz. Mas e a gravitação? Tudo na Terra experimenta a atração gravitacional do Sol, mas a gravidade que a Terra experimenta ao orbitar o Sol vem do Sol agora, neste exato instante? Ou, assim como a luz, estamos experimentando a gravitação de algum tempo atrás? É uma questão fascinante para refletir, com Paul Roland escrevendo para perguntar,
a relação da velocidade da onda gravitacional com a da luz... A princípio não vi nenhuma conexão, já que a gravidade deriva da massa e é um efeito totalmente separado do eletromagnético. Pode-se supor que [isso] faria com que os efeitos gravitacionais fossem mais lentos que a luz [em termos de] tempo de propagação.
Todos nós temos nossos pensamentos intuitivos sobre como esperamos que as coisas se comportem, mas apenas experimentos e observações podem fornecer a resposta. A gravidade não é instantânea, e acaba se propagando exatamente na velocidade da luz . Aqui está como sabemos.
Quando ocorre um evento de microlente gravitacional, a luz de fundo de uma estrela fica distorcida e ampliada à medida que uma massa intermediária viaja através ou perto da linha de visão da estrela. O efeito da gravidade interveniente dobra o espaço entre a luz e os nossos olhos, criando um sinal específico que revela a massa e a velocidade do planeta em questão. Os efeitos da gravitação não são instantâneos, mas ocorrem apenas na velocidade da luz. (JAN SKOWRON / OBSERVATÓRIO ASTRONÔMICO, UNIVERSIDADE DE VARSÓVIA)
Nossa história começa com a velocidade da luz. A primeira pessoa a tentar medi-la, pelo menos segundo a lenda, foi Galileu. Ele montou um experimento à noite, onde duas pessoas estariam no topo de picos de montanhas adjacentes, cada uma equipada com uma lanterna. Um deles desvendaria sua lanterna e, quando o outro visse, desvendaria sua própria lanterna, permitindo que a primeira pessoa medisse o tempo decorrido. Infelizmente para Galileu, os resultados pareciam instantâneos, limitados apenas pela velocidade da reação humana.
O avanço chave não veio até 1676 , quando Ole Rømer teve a brilhante ideia de observar a grande lua mais interna de Júpiter, Io, ao passar por trás de Júpiter e ressurgir da sombra do planeta gigante. Como a luz tem que viajar do Sol para Io, e depois de Io de volta aos nossos olhos, deve haver um atraso desde quando Io sai da sombra de Júpiter, geometricamente, até que possamos observá-la aqui na Terra. Embora as conclusões de Rømer estivessem erradas em cerca de 30% do valor real, esta foi a primeira medição da velocidade da luz e a primeira demonstração robusta de que a luz viajava a uma velocidade finita, afinal.
Quando uma das luas de Júpiter passa por trás do maior planeta do nosso Sistema Solar, ela cai na sombra do planeta, tornando-se escura. Quando a luz do sol começa a atingir a lua novamente, não a vemos instantaneamente, mas muitos minutos depois: o tempo que leva para a luz viajar dessa lua até nossos olhos. Aqui, Io ressurge atrás de Júpiter, o mesmo fenômeno que Ole Rømer usou para medir pela primeira vez a velocidade da luz. (ROBERT J. MODIC)
O trabalho de Rømer influenciou vários cientistas importantes de sua época, incluindo Christiaan Huygens e Isaac Newton, que apresentaram as primeiras descrições científicas da luz. Cerca de uma década depois de Rømer, no entanto, Newton voltou sua atenção para a gravitação, e todas as ideias sobre uma velocidade finita para a gravidade foram por água abaixo. Em vez disso, de acordo com Newton, todo objeto massivo no Universo exerceu uma força atrativa sobre todos os outros objetos massivos do Universo, e essa interação foi instantânea.
A intensidade da força gravitacional é sempre proporcional a cada uma das massas multiplicadas entre si e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Afastem-se duas vezes mais um do outro, e a força gravitacional se torna apenas um quarto mais forte. E se você perguntar em qual direção a força gravitacional aponta, é sempre ao longo de uma linha reta conectando essas duas massas. Foi assim que Newton formulou sua lei da gravitação universal, onde as órbitas matemáticas que ele derivou combinavam precisamente com a maneira como os planetas se moviam pelo espaço.
Antes de entendermos como a lei da gravidade funcionava, fomos capazes de estabelecer que qualquer objeto em órbita em torno de outro obedecia à segunda lei de Kepler: traçava áreas iguais em quantidades iguais de tempo, indicando que deve se mover mais lentamente quando está mais distante e mais rapidamente quando está mais perto. Em todos os momentos, na gravidade de Newton, a força gravitacional deve apontar para onde o Sol está, não para onde estava há um tempo finito no passado. (RJHALL / PAINT SHOP PRO)
É claro que já sabíamos como descrever a maneira como os planetas orbitavam o Sol: as leis do movimento planetário de Kepler tinham muitas décadas quando Newton surgiu. O que ele fez de tão notável foi apresentar uma teoria da gravidade: uma estrutura matemática que obedecia a regras das quais todas as leis de Kepler (e muitas outras regras) podiam ser derivadas. Contanto que, a cada momento, a força em qualquer planeta sempre aponte diretamente para onde o Sol está naquele exato momento, você consegue que as órbitas planetárias correspondam ao que observamos.
O que Newton também percebeu foi o seguinte: se você fizer a força gravitacional apontar para onde o Sol estava há uma certa quantidade de tempo atrás – como ~ 8 minutos atrás da perspectiva do planeta Terra – as órbitas planetárias que você obtém estão todas erradas. Para que a concepção de gravidade de Newton tenha uma chance de funcionar, a força gravitacional precisa ser instantânea. Se a gravitação é lenta, mesmo que lenta signifique que ela se move na velocidade da luz, a gravidade de Newton não funciona, afinal.
Um aspecto revolucionário do movimento relativístico, proposto por Einstein, mas previamente construído por Lorentz, Fitzgerald e outros, é que objetos em movimento rápido pareciam se contrair no espaço e dilatar no tempo. Quanto mais rápido você se move em relação a alguém em repouso, mais seus comprimentos parecem ser contraídos, enquanto mais o tempo parece dilatar para o mundo exterior. Essa imagem, da mecânica relativista, substituiu a antiga visão newtoniana da mecânica clássica, mas também traz implicações tremendas para teorias que não são relativisticamente invariantes, como a gravidade newtoniana. (CURT RENHAW)
Por centenas de anos, a gravidade de Newton foi capaz de resolver todos os problemas mecânicos que a natureza (e os humanos) lançavam nela. Quando a órbita de Urano pareceu violar as leis de Kepler, foi uma pista tentadora de que talvez Newton estivesse errado, mas não estava. Em vez disso, havia uma massa adicional na forma do planeta Netuno. Uma vez que sua posição e massa se tornaram conhecidas, esse quebra-cabeça desapareceu.
Mas os sucessos de Newton não durariam para sempre. A primeira pista real veio com a descoberta da Relatividade Especial, e a noção de que espaço e tempo não são quantidades absolutas, mas como os observamos depende muito intrincadamente de nosso movimento e localização. Em particular, quanto mais rápido você se move pelo espaço, mais lentos os relógios parecem correr e as distâncias mais curtas parecem ser. Como Fitzgerald e Lorentz, trabalhando antes de Einstein, descreveram, as distâncias se contraem e o tempo se dilata à medida que você se aproxima da velocidade da luz. Observa-se que partículas instáveis sobrevivem por mais tempo se se moverem em altas velocidades. Espaço e tempo não podem ser absolutos, mas devem ser relativos para cada observador único.
Um modelo preciso de como os planetas orbitam o Sol, que então se move pela galáxia em uma direção de movimento diferente. Se o Sol simplesmente desaparecesse, a teoria de Newton prevê que todos eles voariam instantaneamente em linhas retas, enquanto a de Einstein prevê que os planetas internos continuariam orbitando por períodos de tempo mais curtos do que os planetas externos. (RHYS TAYLOR)
Se isso for verdade, e diferentes observadores se movendo com diferentes velocidades e/ou em diferentes locais não podem concordar em coisas como distâncias e tempos, então como poderia a concepção de gravidade de Newton estar correta? Parece que todas essas coisas não podem ser verdadeiras simultaneamente; algo deve ser inconsistente aqui.
Uma maneira de pensar sobre isso é considerar um quebra-cabeça absurdo, mas útil: imagine que, de alguma forma, algum ser onipotente fosse capaz de remover instantaneamente o Sol do nosso Universo. O que esperaríamos que acontecesse com a Terra?
No que diz respeito à luz, sabemos que ela continuaria a chegar por mais 8 minutos ou mais, e o Sol só pareceria desaparecer quando essa luz parasse de nos atingir. Os outros planetas só escureceriam quando a luz do sol parasse de atingi-los, refletindo neles, e parasse de chegar aos nossos olhos. Mas e a gravitação? Isso cessaria instantaneamente? Todos os planetas, asteróides, cometas e objetos do cinturão de Kuiper simplesmente voariam em linha reta de uma só vez? Ou todos eles continuariam orbitando por um tempo, continuando sua dança gravitacional em feliz ignorância até que o efeito da gravidade finalmente os atingisse?
Ao contrário da imagem que Newton tinha de forças instantâneas ao longo da linha de visão conectando duas massas quaisquer, Einstein concebeu a gravidade como um tecido de espaço-tempo deformado, onde as partículas individuais se moviam através desse espaço curvo de acordo com as previsões da Relatividade Geral. Na imagem de Einstein, a gravidade não é instantânea. (LIGO/T. PYLE)
O problema, de acordo com Einstein, é que todo o quadro de Newton deve ser falho. A gravidade não é melhor vista como uma força instantânea em linha reta conectando quaisquer dois pontos no Universo. Em vez disso, Einstein apresentou uma imagem em que espaço e tempo são tecidos juntos no que ele visualizou como um tecido inseparável, e que não apenas massas, mas todas as formas de matéria e energia deformavam esse tecido. Em vez de os planetas orbitarem por causa de uma força invisível, eles simplesmente se movem ao longo do caminho curvo determinado pelo tecido curvo e distorcido do espaço-tempo.
Essa concepção de gravidade leva a um conjunto de equações radicalmente diferente do de Newton e, em vez disso, prevê que a gravidade não apenas se propaga a uma velocidade finita, mas que a velocidade - a velocidade da gravidade - deve ser exatamente igual à velocidade da luz. Se você de repente apagasse o Sol, esse tecido do espaço-tempo voltaria a ficar plano da mesma forma que uma pedra caindo em uma poça de água faria com que a superfície da água voltasse. Chegaria ao equilíbrio, mas as mudanças na superfície viriam em ondulações ou ondas, e elas só se propagariam a uma velocidade finita: a velocidade da luz.
Ondulações no espaço-tempo são o que as ondas gravitacionais são, e elas viajam pelo espaço na velocidade da luz em todas as direções. Embora as constantes do eletromagnetismo nunca apareçam nas equações da Relatividade Geral de Einstein, as ondas gravitacionais, sem dúvida, se movem à velocidade da luz. (OBSERVATÓRIO GRAVITACIONAL EUROPEU, LIONEL BRET/EUROLIOS)
Por muitos anos, tivemos testes indiretos da velocidade da gravidade, mas nada que medisse essas ondulações diretamente. Medimos como as órbitas de duas estrelas de nêutrons pulsantes mudaram à medida que orbitavam um ao outro, determinando que a energia estava irradiando a uma velocidade finita: a velocidade da luz, para dentro de uma precisão de 99,8% . Assim como a sombra de Júpiter obscurece a luz, a gravidade de Júpiter pode dobrar uma fonte de luz de fundo e uma coincidência de 2002 alinhou a Terra, Júpiter e um quasar distante. A curvatura gravitacional da luz do quasar devido a Júpiter nos deu outra medida independente da velocidade da gravidade: é novamente a velocidade da luz , mas vem com um erro de ~20%.
Tudo isso começou a mudar drasticamente há cerca de 5 anos, quando os primeiros detectores avançados de ondas gravitacionais viram seus primeiros sinais. À medida que as primeiras ondas gravitacionais viajaram pelo Universo a partir da fusão de buracos negros, uma jornada de mais de um bilhão de anos-luz para nossa primeira detecção, elas chegaram aos nossos (então) dois detectores de ondas gravitacionais com apenas milissegundos de distância, uma diferença pequena, mas significativa. Como eles estão em pontos diferentes da Terra, esperaríamos um tempo de chegada ligeiramente diferente se a gravidade se propagasse a uma velocidade finita, mas nenhuma diferença se fosse instantânea. Para cada evento de onda gravitacional, a velocidade da luz é consistente com os tempos de chegada observados das ondas.
O sinal do LIGO da primeira detecção robusta de ondas gravitacionais. A forma de onda não é apenas uma visualização; é representativo do que você realmente ouviria se ouvisse corretamente, com frequência e amplitude crescentes à medida que as duas massas se aproximam do momento da fusão exata. (OBSERVAÇÃO DE ONDAS GRAVITACIONAIS DE UMA INCORPORAÇÃO DE BURACO NEGRO BINÁRIO B. P. ABBOTT ET AL., (COLABORAÇÃO LIGO CIENTÍFICA E COLABORAÇÃO VIRGO), CARTAS DE REVISÃO FÍSICA 116, 061102 (2016))
Mas em 2017, aconteceu algo espetacular que acabou com todas as nossas outras restrições – diretas e indiretas. De ~ 130 milhões de anos-luz de distância, um sinal de onda gravitacional começou a chegar. Começou com uma amplitude pequena, mas detectável, depois aumentou em potência enquanto se tornava mais rápida em frequência, correspondendo a dois objetos de baixa massa, estrelas de nêutrons, inspirando e se fundindo. Após apenas alguns segundos, o sinal da onda gravitacional disparou e cessou, sinalizando que a fusão estava completa. E então, não mais de 2 segundos depois, o primeiro sinal de luz chegou: uma explosão de raios gama.
Demorou cerca de 130 milhões de anos para que as ondas gravitacionais e a luz desse evento viajassem pelo Universo, e chegaram exatamente ao mesmo tempo: em 2 segundos. Isso significa que, no máximo, se a velocidade da luz e a velocidade da gravidade são diferentes, então elas são diferentes em não mais do que cerca de 1 parte em um quatrilhão (1015), ou que essas duas velocidades são 99,9999999999999% idênticas . De muitas maneiras, é a medição mais precisa de uma velocidade cósmica já feita. A gravidade realmente viaja a uma velocidade finita, e essa velocidade é idêntica à velocidade da luz.
Ilustração artística de duas estrelas de nêutrons em fusão. A grade ondulante do espaço-tempo representa as ondas gravitacionais emitidas pela colisão, enquanto os feixes estreitos são os jatos de raios gama que disparam apenas alguns segundos após as ondas gravitacionais (detectadas como uma explosão de raios gama pelos astrônomos). As ondas gravitacionais e a radiação devem viajar na mesma velocidade com uma precisão de 15 dígitos significativos. (NSF / LIGO / UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SONOMA / A. SIMONNET)
Do ponto de vista moderno, isso faz sentido, pois qualquer forma de radiação sem massa – seja partícula ou onda – deve viajar exatamente na velocidade da luz. O que começou como uma suposição baseada na necessidade de autoconsistência em nossas teorias agora foi diretamente confirmado por observação. A concepção original de gravitação de Newton não se sustenta, pois a gravidade não é uma força instantânea, afinal. Em vez disso, os resultados concordam com Einstein: a gravitação se propaga a uma velocidade finita e a velocidade da gravidade é exatamente igual à velocidade da luz.
Finalmente sabemos o que aconteceria se você pudesse de alguma forma fazer o Sol desaparecer: a última luz do Sol continuaria se afastando dele na velocidade da luz, e só escureceria quando a luz parasse de chegar. Da mesma forma, a gravidade se comportaria da mesma maneira, com os efeitos gravitacionais do Sol continuando a influenciar os planetas, asteroides e todos os outros objetos da galáxia até que seu sinal gravitacional não chegasse mais. Mercúrio voaria primeiro em linha reta, seguido por todas as outras massas em ordem. A luz pararia de chegar exatamente ao mesmo tempo que os efeitos gravitacionais. Como só agora sabemos com certeza, a gravidade e a luz realmente viajam exatamente nas mesmas velocidades.
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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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