• Começa Com Um Estrondo

É por isso que Einstein sabia que a gravidade deve dobrar a luz

Uma ilustração de lentes gravitacionais mostra como as galáxias de fundo – ou qualquer caminho de luz – são distorcidas pela presença de uma massa intermediária, mas também mostra como o próprio espaço é dobrado e distorcido pela presença da própria massa em primeiro plano. Antes de Einstein apresentar sua teoria da Relatividade Geral, ele entendeu que essa flexão deveria ocorrer, embora muitos permanecessem céticos até (e mesmo depois) o eclipse solar de 1919 confirmar suas previsões. (NASA/ESA)

A Relatividade Geral tinha que estar certa. Aqui está como nós sabíamos.

O que acontece com a luz quando ela passa perto de uma grande massa? Ele simplesmente continua em linha reta, não desviado de seu caminho original? Ele experimenta uma força devido aos efeitos gravitacionais da matéria próxima? E em caso afirmativo, qual é a magnitude da força que experimenta?

Essas perguntas vão direto ao cerne de como a gravidade funciona. Este ano, 2019, marca o 100º aniversário da confirmação da Relatividade Geral. Duas equipes independentes realizaram uma expedição bem-sucedida para medir as posições das estrelas perto do limbo do Sol durante o eclipse solar total de 29 de maio de 1919. Por meio das observações da mais alta qualidade que a tecnologia permitia na época, eles determinaram se aquela luz estelar distante era dobrado pela gravidade do Sol, e por quanto. Foi um resultado que chocou a muitos, mas Einstein já sabia qual seria a resposta. Aqui está como.

Um exemplo/ilustração de lente gravitacional e a curvatura da luz das estrelas devido à massa. Antes que qualquer previsão quantitativa fosse feita, mesmo antes de Einstein ter elaborado a teoria, ele sabia que a luz deve ser dobrada por massas. (NASA / STSCI)

Imagine que você está em um elevador e todas as portas estão fechadas. Você pode ouvir os motores funcionando externamente, mas não pode ver o que está acontecendo fora de você. Tudo o que você sabe é o que pode sentir e o que pode ver no interior do carro do elevador. Agora, você tenta fazer as perguntas fisicamente mais significativas que puder. Quão rápido você está se movendo e em que direção? Seu movimento está mudando ou não? E se sim, o que está causando isso?

De dentro do elevador, sem ter como ver o que está acontecendo do lado de fora, você não pode saber as respostas para praticamente nenhuma dessas perguntas. De acordo com as regras da relatividade – voltando muito antes de Einstein, até Galileu – você não pode dizer se está em movimento ou não.

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. Cada observador não apenas verá o tempo passando na mesma taxa de um segundo por segundo, mas também será incapaz de aprender qualquer coisa sobre o mundo exterior a partir de seu próprio quadro de referência limitado. (JOÃO D. NORTON)

As leis da física não dependem da sua velocidade, e não há medições que você possa realizar apenas de dentro do elevador que lhe dirá qual é a velocidade em relação ao mundo exterior. Seu elevador pode estar subindo, descendo, horizontalmente ou em qualquer direção; a menos que houvesse uma mudança em seu movimento, não haveria nenhum efeito físico em qualquer coisa que ocorresse dentro do elevador.

Este é o princípio da relatividade: que todos os referenciais inerciais (não acelerados) obedecem às mesmas leis e equações físicas. As propriedades do Universo dentro de um elevador estacionário e de um elevador em constante movimento são indistinguíveis para qualquer observador. Somente se você puder ver e comparar seu movimento com algo externo, haverá alguma maneira de dizer como você está se movendo.

Um foguete Soyuz-2.1a decola em 19 de abril de 2013, com Bion-M №1. Foguetes não aceleram muito mais rápido do que carros ou objetos em queda livre na Terra, mas podem manter essa aceleração por muitos minutos de cada vez, permitindo que eles quebrem os laços da gravidade da Terra. Para um observador dentro, eles experimentariam a força de aceleração constante, mas não seriam capazes de determinar sua origem. Uma vez que a aceleração parasse, eles não teriam ideia de qual era sua velocidade, a menos que pudessem observar o mundo exterior. (ROSCOSMOS)

A noção de que não existe movimento absoluto está no coração da relatividade especial: todos os observadores não acelerados podem reivindicar igualmente que sua perspectiva é a correta.

Se o elevador acelerar, no entanto, essa história muda drasticamente. Um elevador que acelera para cima a 9,8 m/s2 verá tudo dentro dele ser acelerado para baixo em direção ao piso na mesma taxa: 9,8 m/s2. Quando você está em um veículo que acelera rapidamente (e você se sente empurrado para trás em seu assento) ou desacelera (que o empurra para frente), você está experimentando efeitos semelhantes aos que alguém dentro do elevador em aceleração sentirá. São as mudanças no movimento – a aceleração – que causam o que você experimenta como força, exatamente como o que você esperaria da equação mais famosa de Newton: F = m para .

Quando um veículo sofre movimento acelerado, em vez de movimento constante, o motorista e quaisquer passageiros experimentarão uma força igual à sua massa multiplicada pela taxa de aceleração. Mesmo em um sistema fechado onde você não pode ver ou observar o mundo exterior, haverá uma força que lhe permitirá concluir que suas experiências são consistentes com uma aceleração particular. (NATIONAL MOTOR MUSEUM/HERITAGE IMAGES/GETTY IMAGES)

Agora, vamos a um problema diferente. Se você estivesse nesse mesmo elevador, mas em vez de acelerar, ele estivesse parado na superfície da Terra, o que você sentiria de dentro?

A força da gravidade da Terra puxa tudo para baixo com a mesma aceleração – 9,8 m/s2 – na superfície do nosso planeta. Se o elevador estiver parado no chão, a gravitação da Terra ainda faz com que cada objeto dentro dele acelere para baixo a 9,8 m/s2: o mesmo resultado como se o elevador estivesse acelerando para cima a essa taxa. Para alguém dentro do elevador sem como ver o mundo exterior, e sem como saber se estava parado, mas na presença de um campo gravitacional ou acelerando devido a um empuxo externo, esses cenários seriam idênticos.

O comportamento idêntico de uma bola caindo no chão em um foguete acelerado (esquerda) e na Terra (direita) é uma demonstração do princípio de equivalência de Einstein. Medir a aceleração em um único ponto não mostra diferença entre a aceleração gravitacional e outras formas de aceleração; a menos que você possa de alguma forma observar ou acessar informações sobre o mundo exterior, esses dois cenários produziriam resultados experimentais idênticos. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS MARKUS POESSEL, RETOQUE POR PBROKS13)

Agora, pense no que aconteceria se você permitisse que um feixe de luz do lado de fora entrasse em um lado do elevador através de um buraco e observasse onde ele atingia a parede do outro lado. Isso dependeria de sua velocidade e aceleração em relação à fonte de luz externa. Em particular:

1. Se não houvesse movimento relativo ou aceleração relativa entre o elevador e a fonte de luz, o feixe de luz pareceria viajar direto.
2. Se houvesse movimento relativo (velocidade), mas nenhuma aceleração relativa, o feixe de luz se moveria em linha reta, mas seria deslocado de atravessar diretamente.
3. Se houvesse aceleração relativa, o feixe de luz seguiria um caminho curvo, com a magnitude da curvatura determinada pela magnitude da aceleração.

Esse último caso, no entanto, descreveria um elevador em aceleração e um elevador estacionário em um campo gravitacional igualmente bem.

Se você permitir que a luz venha de fora de seu ambiente para dentro, poderá obter informações sobre as velocidades e acelerações relativas dos dois referenciais. A causa da aceleração, seja por efeitos inerciais (impulso) ou gravitacionais, não pode ser discernida apenas a partir desta observação. (NICK STROBEL AT ASTRONOMYNOTES.COM )

Esta é a base do princípio da equivalência de Einstein: a ideia de que um observador não pode distinguir entre uma aceleração causada por efeitos gravitacionais ou inerciais (impulso). No caso extremo, pular de um prédio, na ausência de resistência do ar, seria o mesmo que ser completamente sem peso.

Os astronautas a bordo da Estação Espacial Internacional, por exemplo, experimentam total ausência de peso, embora a Terra os esteja acelerando em direção ao seu centro com cerca de 90% da força que experimentamos aqui em sua superfície. Mais tarde, Einstein se referiu a essa percepção, que o atingiu em 1911, como seu pensamento mais feliz. Foi essa ideia que o levaria, após quatro anos de desenvolvimento, a publicar a Teoria Geral da Relatividade.

Astronautas e frutas, a bordo da Estação Espacial Internacional. Observe que a gravidade não está desligada, mas que tudo – incluindo a espaçonave – é uniformemente acelerado, resultando em uma experiência de zero g. A ISS é um exemplo de referencial inercial. (IMAGEM DE DOMÍNIO PÚBLICO)

A conclusão do experimento mental de Einstein era irrefutável. Quaisquer que sejam os efeitos gravitacionais em um determinado local no espaço – quaisquer que sejam as acelerações que eles induzam – eles também afetarão a luz. Tão certo quanto acelerar seu elevador com empuxo fará com que um raio de luz deflete, acelerá-lo por estar na proximidade de uma massa gravitacional causará a mesma deflexão.

Portanto, Einstein raciocinou, não só seria possível prever que os raios de luz não podem viajar ao longo de um caminho reto quando estão em um campo gravitacional, mas a magnitude da deflexão poderia ser calculada simplesmente sabendo qual a força dos efeitos gravitacionais em as proximidades daquela massa estavam.

Durante um eclipse total, as estrelas parecem estar em uma posição diferente de suas localizações reais, devido à curvatura da luz de uma massa intermediária: o Sol. A magnitude da deflexão seria determinada pela força dos efeitos gravitacionais nos locais no espaço pelos quais os raios de luz passavam. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Einstein teve seu pensamento mais feliz em 1911 e, no final de 1915, completou a formulação de sua Teoria Geral da Relatividade, que levaria a uma previsão explícita de exatamente quanta luz deveria desviar para estrelas que experimentassem separações angulares particulares do Sol.

Isso não poderia ser observado, é claro, em condições normais, já que não se pode observar estrelas durante o dia. Mas quando ocorre um eclipse solar total, particularmente se o eclipse for de longa duração e os céus ficarem muito escuros, as estrelas podem se revelar a um observador dedicado. Houve um eclipse solar total em 1916, mas a Primeira Guerra Mundial impediu que as observações críticas fossem feitas. O eclipse de 1918 ocorreu sobre os Estados Unidos continentais, mas as nuvens intervieram , interrompendo os planos do Observatório Naval dos EUA.

Placas fotográficas negativas e positivas reais da Expedição Eddington de 1919, mostrando (com linhas) as posições das estrelas identificadas que seriam usadas para medir a deflexão da luz devido à presença do Sol. Esta foi a primeira confirmação direta e experimental da Relatividade Geral de Einstein. (EDDINGTON ET AL., 1919)

Em 1919, no entanto, um eclipse muito longo estava programado para passar sobre a América do Sul e a África, e Sir Arthur Eddington da Grã-Bretanha estava preparado. Com duas equipes em Sobral, no Brasil, e Príncipe, na África, e um eclipse contendo cerca de seis minutos de totalidade, este foi o campo de testes ideal para a teoria de Einstein. Embora a controvérsia tenha cercado os resultados por muitos anos, os resultados foram consistentes com as previsões de Einstein e resistiram ao teste do tempo e de um escrutínio posterior. No rescaldo das observações, Eddington compôs o seguinte poema de paródia:

Oh deixe o Sábio nossas medidas para comparar
Uma coisa pelo menos é certa, LUZ tem PESO
Uma coisa é certa, e o resto debate –
Raios de luz, quando próximos ao Sol, NÃO VÃO RETO

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)

Embora seja sempre vital realizar o experimento ou observação crítica capaz de validar ou contradizer suas previsões teóricas, Einstein não tinha dúvidas de que as observações da luz das estrelas passando perto de uma massa significativa, como o Sol, mostrariam que os raios de luz eram de fato dobrados pela gravidade . Assim como ele podia ter certeza de que a gravitação causa acelerações, não havia como evitar a implicação de que a luz, que parece se curvar para um observador acelerado, também deve se curvar devido aos efeitos da gravidade.

Em 29 de maio de 2019, a humanidade celebrará o 100º aniversário da confirmação da Relatividade Geral, e 100 anos de luz de curvatura por gravidade . Embora muitos tivessem dúvidas naquele dia, Einstein não era um deles. Enquanto os objetos em queda aceleram devido à gravidade, temos todos os motivos para acreditar que a gravidade também dobra a luz.

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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