• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: Por que não existe antigravidade?

Na relatividade geral, a matéria e a energia curvam o espaço-tempo, que experimentamos como gravidade. Por que não pode haver uma força “antigravidade”?

Principais conclusões

• Na gravidade de Newton, todas as massas se atraíam; não há 'massa negativa' para repelir. Na relatividade geral de Einstein, a matéria e a energia curvam o espaço-tempo, e o espaço-tempo curvo é experimentado como gravidade.
• Se houvesse massa negativa, ou mesmo algum tipo de energia negativa, você poderia imaginar que o espaço-tempo poderia “curvar-se” no sentido oposto, resultando em antigravidade. Mas isso não descreve o nosso Universo.
• Este é um facto profundo e torna a gravitação muito diferente de outras forças, como o electromagnetismo, que têm características tanto atractivas como repulsivas. Então, por que não pode haver nenhuma “antigravitação” em nosso Universo?

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Embora existam quatro forças fundamentais conhecidas para o Universo, só há uma que importa nas maiores escalas cósmicas de todas: a gravitação. As outras três forças fundamentais:

• a força nuclear forte, que mantém prótons e nêutrons juntos,
• a força nuclear fraca, responsável pelos decaimentos radioativos e qualquer “mudança de espécie” entre quarks e léptons,
• e a força eletromagnética, que causa a formação de átomos neutros,

são todos amplamente irrelevantes em escalas cósmicas. A razão é simples: as outras forças, quando você reúne grandes conjuntos de partículas, se equilibram a grandes distâncias. A matéria, sob essas três forças, parece “neutra” em grandes escalas e não existe nenhuma força resultante.

Mas não é assim com a gravitação. Na verdade, a gravitação é única nesse sentido. Com a gravitação, existem apenas cargas “positivas”: coisas com quantidades positivas de massa e/ou energia. Entre essas coisas, a força gravitacional é apenas atrativa e, portanto, cumulativamente, pode realmente somar. Mas por que é assim e não de outra? É isso que Alex Gebethner quer saber, escrevendo para perguntar:

“O modelo comum usado para explicar o espaço-tempo para leigos como eu é a bola de boliche em um lençol. O peso da bola deforma a folha plana e atrai objetos menores próximos. Mas parece lógico que o lençol possa ser deformado na outra direção (para cima, para continuar com a analogia do lençol) por um objeto muito semelhante, empurrando os objetos para longe do ponto de deformação. No entanto, nunca observamos isso ocorrendo. Por que? Por que o espaço-tempo só se curva em uma direção (a da gravidade)?”

É uma questão profunda e que merece uma resposta de qualidade.

O comportamento gravitacional da Terra em torno do Sol não se deve a uma atração gravitacional invisível, mas é melhor descrito pela Terra caindo livremente através do espaço curvo dominado pelo Sol. A distância mais curta entre dois pontos não é uma linha reta, mas sim uma geodésica: uma linha curva definida pela deformação gravitacional do espaço-tempo. A noção de “distância” e “tempo” é única para cada observador, mas, segundo a descrição de Einstein, todos os referenciais são igualmente válidos e o “intervalo de espaço-tempo” permanece uma quantidade invariante.

Acima está a ilustração “clássica” da relatividade geral: a noção de que o espaço (e o espaço-tempo) é simplesmente uma estrutura e que todos os objetos – incluindo objetos massivos e sem massa – existem dentro dessa estrutura. Quanto mais massa (e/ou energia) você tiver em um local, mais espaço será curvado pela presença dessa massa/energia e, portanto, maior será a deformação do tecido. Para qualquer objeto que se mova através desta região do espaço, a curvatura desse espaço (ou seja, a quantidade e a direção em que o tecido é distorcido) determina como todas as entidades, tanto massivas como sem massa, se moverão através dele.

Agora, muitas pessoas irão se opor a esta imagem, porque ela:

• retrata o espaço como bidimensional, em vez de tridimensional,
• mostra a deformação (ou curvatura) do espaço como sendo na direção “para baixo”, como se a gravitação estivesse causando essa deformação (como uma bola de boliche em uma cama), e
• faz parecer que, mesmo longe de uma grande massa, o espaço não está mais curvado.

Nenhuma dessas coisas é verdade e, portanto, para aqueles que têm essas objeções, encorajo-os a visualizar o espaço como uma grade tridimensional. Só que, em vez de uma grelha “cartesiana”, onde todas as linhas são mutuamente perpendiculares em todas as três dimensões, pense nela como uma grelha onde as linhas são “sugadas” para dentro pela presença de massas, como se alguém agarrasse um monte de cordas de uma grade cartesiana e puxou todos em direção a um único ponto.

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 espaço 3D é curvado pela presença e propriedades da matéria e da energia dentro do Universo. Múltiplas massas em órbita umas em torno das outras causarão a emissão de ondas gravitacionais, enquanto qualquer luz que passe através de uma região que contenha este espaço-tempo distorcido será curvada, distorcida e possivelmente ampliada pelos efeitos do espaço curvo.

A grande questão que precisamos considerar é por que a gravidade também não pode funcionar de forma repulsiva: as coisas apenas gravitam; eles não parecem antigravitantes. É como se o espaço só pudesse “curvar-se” numa direção: a direção que torna as coisas atraentes, não repulsivas. Na analogia do “lençol 2D”, a matéria e a energia apenas fazem com que o espaço se curve “para baixo”, nunca “para cima”, e portanto há apenas atração, não repulsão. Na analogia da “grade 3D”, a matéria e a energia apenas fazem com que essas linhas sejam desenhadas “para dentro”, nunca “para fora” e, novamente, há apenas atração, não repulsão.

Há uma razão profunda e importante para isso que vai direto ao cerne do que torna a gravitação não apenas notável, mas exclusivo , entre as quatro forças fundamentais: existe apenas um “sinal” para o tipo de “carga” gravitacional no Universo: um sinal positivo.

Pense nisso por um minuto, porque normalmente não é assim que concebemos a gravitação. Não falamos sobre cargas gravitacionais; falamos sobre coisas como “massa” e “energia” quando se trata de gravidade. Mas de todas as entidades físicas, tanto macroscópicas como a nível quântico, cuja existência foi demonstrada, não existe tal coisa como “massa negativa” ou “energia negativa” que alguma vez tenha sido descoberta. Massa e energia, em geral, devem ser sempre positivas.

A lei da gravitação universal de Newton (esquerda) e a lei de Coulomb para eletrostática (direita) têm formas quase idênticas, mas a diferença fundamental de um tipo versus dois tipos de carga abre um mundo de novas possibilidades para o eletromagnetismo. Em ambos os casos, entretanto, apenas uma partícula portadora de força, o gráviton ou o fóton, respectivamente, é necessária.

Compare isso com uma força como o eletromagnetismo e você verá imediatamente a diferença. Quando se trata de um fenômeno como a carga elétrica, você não tem apenas “um tipo” de carga; você tem dois: positivo (+) e negativo (-). Sob as regras do eletromagnetismo:

• cargas positivas e positivas se repelem,
• cargas positivas e negativas se atraem,
• cargas negativas e negativas se repelem, e
• cargas negativas e positivas se atraem.

Em outras palavras, o sinal da força eletromagnética - qual direção a força resultante em cada partícula aponta - depende se as cargas são iguais (nesse caso, elas se repelem) ou opostas (nesse caso, elas se atraem).

A força eletromagnética, como se vê, é muito mais forte que a força gravitacional: se você colocar dois prótons (com carga positiva) próximos um do outro e medir a força elétrica (repulsiva) e compará-la com a força gravitacional (atrativa), descobrirá que a repulsão vence… por um fator de cerca de ~ 10 ³⁶ , ou, por escrito, 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.

Então porque é que a força eléctrica não domina o Universo, em vez da força gravitacional?

A imagem mostra as linhas do campo magnético impressas pela galáxia na poeira cósmica no meio interestelar, conforme revelado pelo experimento Planck CMB. Essas linhas de campo têm intensidade microgauss e podem ser coerentes ao longo de centenas ou até milhares de anos-luz. Em grandes escalas cósmicas, a força eletromagnética não é páreo para a gravidade, apesar de ser fundamentalmente muitas ordens de magnitude mais forte.

A resposta é que o Universo é eletricamente neutro, onde a quantidade de carga positiva e a quantidade de carga negativa se equilibram. Os átomos são eletricamente neutros, com a carga elétrica positiva do núcleo exatamente equilibrada pela carga elétrica negativa dos elétrons que o orbitam. Planetas, estrelas e galáxias também são predominantemente feitos de átomos e são eletricamente neutros em geral. A razão pela qual a força gravitacional é tão importante – sem dúvida, a única força importante em escalas cósmicas extremamente grandes – é porque, embora seja tão pequena, é cumulativa. Existe apenas um tipo de carga gravitacional e ela aumenta com o tempo.

As outras duas forças (nucleares) também estão proibidas de afetar grandes escalas. Para a força nuclear fraca, é o facto de a força ser mediada por partículas extremamente massivas: os bósons W e Z. Como essas partículas são muito mais massivas do que as partículas que experimentam a interação fraca, essas interações são fortemente suprimidas. É somente através do processo de tunelamento quântico, de um estado inicial (instável) para um estado final (mais estável), que as interações fracas normalmente podem prosseguir. A distâncias maiores, a supressão é maior, e assim, em escalas maiores que uma partícula subatômica, a interação fraca não desempenha nenhum papel.

Os decaimentos dos píons com carga positiva e negativa, mostrados aqui, ocorrem em dois estágios. Primeiro, a combinação quark/antiquark troca um bóson W, produzindo um múon (ou antimúon) e um neutrino mu (ou antineutrino), e então o múon (ou antimúon) decai através de um bóson W novamente, produzindo um neutrino, um antineutrino e um elétron ou pósitron no final. Este é o passo chave na produção dos neutrinos para uma linha de luz de neutrinos e requer dois decaimentos separados através da interação fraca: primeiro do píon em múon e depois de um múon em elétron. A interação fraca é incrivelmente de curto alcance, devido à massividade dos bósons (W e Z) que a governam.

Para a força nuclear forte a situação é um pouco mais complicada. A força forte é mediada por glúons, e os glúons não têm massa, como os fótons (que medeiam a força eletromagnética). Ao contrário da força gravitacional (que tem um tipo de carga) ou da força eletromagnética (que tem dois tipos de carga), a força nuclear forte tem, na verdade, três tipos de cargas que estão todas inter-relacionadas. Normalmente usamos uma analogia de cores quando se trata de força forte, onde:

• vermelho, verde e azul são as três cores,
• ciano, magenta e amarelo são as três anticores,
• que uma cor mais sua anticor (vermelho e ciano, verde e magenta, azul e amarelo) é incolor,
• e onde três cores combinadas (vermelho+verde+azul) ou três anticores combinadas (ciano+magenta+amarelo) também formam uma combinação incolor.

Apenas quarks e glúons têm cor entre as partículas fundamentais, e os únicos estados em que quarks e antiquarks podem existir são estados incolores: bárions (três quarks), anti-bárions (três antiquarks), mésons (combinações quark-antiquark) e mais estados complexos e de vida mais curta, como tetraquarks (dois quarks e dois antiquarks) e pentaquarks (quatro quarks e um antiquark ou quatro antiquarks e um quark).

Como apenas estados ligados e incolores de quarks existem na natureza, a força entre qualquer um desses estados ligados também deve ocorrer através de uma combinação incolor que conserve o número bariônico: portanto, os mésons. Como todos os mésons são massivos, esta “força forte residual”, como é conhecida, também tem curto alcance, tal como a força nuclear fraca.

Prótons e nêutrons individuais são entidades incolores: o único tipo de estado quark admissível no Universo hoje. Embora a força forte seja mediada por partículas sem massa (glúon), a única força que existe entre estados ligados individuais é devida aos mésons, que são todos bastante massivos, limitando severamente o alcance da força forte.

Em escalas cósmicas, isso nos deixa apenas com a gravidade. Todas as massas são positivas, todas as energias são positivas, e como é a massa/energia no espaço, em todos os locais, que determina a curvatura espacial, e a curvatura espacial determina a gravidade, a força gravitacional deve ser sempre atrativa.

Agora, isso é com o Universo que nós (aparentemente) temos: o Universo como o conhecemos. Mas poderíamos ter imaginado um Universo muito diferente: um onde poderiam existir estados de massa negativa ou de energia negativa. Ao contrário da força eletromagnética, onde cargas semelhantes se repelem e cargas opostas se atraem, a gravitação seria invertida:

• estados positivos de massa/energia atrairiam estados positivos de massa/energia,
• estados positivos de massa/energia repeliriam estados negativos de massa/energia,
• estados negativos de massa/energia atrairiam estados negativos de massa/energia, e
• estados de massa/energia negativos atrairiam estados de massa/energia positivos.

Se os estados negativos de massa/energia fizessem parte da nossa realidade, seríamos capazes de manipulá-los de maneiras muito inteligentes e importantes. Poderíamos mover estados negativos de tal forma que eles pudessem nos “proteger” da força gravitacional, permitindo-nos experimentar a ausência de peso sem a necessidade de estar em queda livre.

Aqui na Terra, no campo gravitacional do nosso planeta, não há como nos “proteger” da influência gravitacional da Terra, pois não existem cargas/massas/formas de energia gravitacionalmente negativas. A única maneira de experimentar a ausência de peso é estar em queda livre, como o falecido Stephen Hawking experimentou em 2007.

Poderíamos criar naves espaciais onde os pisos fossem feitos de estados de energia positivos, no espaço, e em cima deles, os tetos poderiam ser feitos de estados de energia negativos, permitindo-nos criar um campo uniforme de “gravidade artificial” da mesma forma que um capacitor eletromagnético. cria um campo elétrico uniforme dentro dele.

E, talvez o mais notável, com quantidades suficientemente grandes de estados de energia positivos e negativos à nossa disposição, poderíamos usar estes estados duplos de energia negativa e de energia positiva para criar um campo de dobra: onde

• o espaço na frente de uma espaçonave é curvado positivamente e contraído,
• o espaço atrás da espaçonave é curvado negativamente e expandido/rarificado,
• e o espaço onde a espaçonave está localizada é plano, evitando que ela seja destruída/danificada pelas forças gravitacionais das marés.

Esta é a grande ideia por trás do Passeio de Alcubierre : a solução dentro da relatividade geral que permite um warp drive realista, dependente da existência de estados negativos de massa/energia. Uma grande esperança para um motor de dobra realista era a possibilidade de que a antimatéria, embora tivesse massa positiva de acordo com a massa de Einstein. E = mc ² , se comportaria como se tivesse uma massa gravitacional negativa. Quando posto à prova em um campo gravitacional, entretanto, foi demonstrado que não era o caso , destruindo nossa maior esperança de um warp drive realista sem a necessidade de invocar uma nova física.

A maneira de fazer um warp drive realista envolve a manipulação do campo de energia e da curvatura do espaço-tempo da região ao redor de uma espaçonave. Ao comprimir o espaço à sua frente em detrimento da rarefação do espaço atrás de você, é possível encurtar a distância entre o ponto de origem e o seu destino.

Existe alguma circunstância que não exija uma “nova física” onde possamos realmente observar ou testar os efeitos da repulsão gravitacional? Existem configurações que possamos imaginar ou criar, sob as quais a força gravitacional possa ser efetivamente negativa, em vez de positiva?

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Sim, você pode projetar um. Em vez de começar com um espaço vazio, imagine que o espaço é preenchido uniformemente com matéria: como um fluido maciço e perfeito. Agora imagine que dentro desse fluido você tem dois tipos de “partícula” para depositar:

1. uma partícula de massa positiva, cuja densidade é maior que a densidade do fluido (por exemplo, uma partícula de chumbo em um fluido como a água),
2. e (efetivamente) uma partícula de massa negativa, cuja densidade é inferior à densidade do fluido (por exemplo, um balão de parede sólida ou um aerogel impermeável, em um fluido como a água).

Nestas circunstâncias, podemos realmente observar o que é gravitacionalmente atraente e o que é repulsivo. Como você pode esperar:

• duas partículas de massa positiva se atraem,
• duas partículas de massa negativa se atraem,
• mas uma partícula de massa positiva e uma partícula de massa negativa se repelem.

Não existe uma repulsão “fundamental”, mas se você preencher o seu Universo com massa/energia e tiver uma região estável que tenha menos massa, essa região se comporta como se possuísse massa/energia negativa, com as consequências precisas descritas acima.

Se você tiver um fluido de massa/energia uniforme, uma massa positiva dentro dele se comportará de maneira gravitacionalmente atrativa, mas uma região de menor densidade e menor massa/energia se comportará como se tivesse massa/energia negativa, e será repelido gravitacionalmente: mas apenas relativamente, não absolutamente.

No entanto, a um nível fundamental, não existem estados negativos de massa/energia dignos de menção. Conforme determinado pela medição da constante cosmológica (ou seja, os efeitos da energia escura), a quantidade total de energia inerente ao espaço vazio é positiva – pequena, mas maior que zero – e não há nada que você possa remover ou tirar do espaço para dirigir. essa energia para um valor menor que zero (ou seja, negativo). Claro, você pode manipular o espaço para criar estados de energia mais baixos em uma região do que em outra, e pode aproveitar esse fenômeno para criar uma região de energia efetivamente negativa (em relação ao estado médio de massa/energia), mas ainda é uma região onde a força gravitacional é atraente. É apenas “menos atraente” do que as regiões vizinhas.

Se você tiver um balão de hélio flutuando em seu carro e pisar no freio, todos os passageiros irão dar um pulo para frente, mas o balão irá flutuar para trás. Não é porque o balão viola a lei de Newton de “um objeto em movimento permanece em movimento”, mas porque o ar (mais denso, mais pesado) no carro “permanece em movimento” com mais força do que o balão de hélio (menos denso, mais leve). . Esse é o único sentido em que temos antigravidade, onde algo com menos massa/energia que a média pode se comportar como uma fonte negativa de gravidade: negativa em comparação com algo que é “mais positivo”. A menos, ou até que seja descoberto algum tipo de nova física que mostre que podem existir estados de massa negativa ou de energia negativa, a antigravidade, pelo menos a um nível fundamental, continuará a ser uma mera curiosidade matemática.

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