É por isso que a velocidade da gravidade deve ser igual à 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, a velocidade da gravidade sem dúvida é igual à velocidade da luz. Aqui está o porquê. (OBSERVATÓRIO GRAVITACIONAL EUROPEU, LIONEL BRET/EUROLIOS)
Foi espetacularmente confirmado pela observação, mas, teoricamente, não poderia ter sido de outra forma.
Se o Sol deixasse de emitir luz espontaneamente, não saberíamos disso por cerca de 8 minutos e 20 segundos. A luz que está chegando aqui na Terra, neste exato momento, foi emitida da fotosfera do Sol por um tempo finito no passado, e só está sendo vista agora depois de uma jornada através dos 150 milhões de km (93 milhões de milhas) que separam a Terra. Sol da Terra. Se o Sol escurecesse agora, não descobriríamos até que a luz parasse de chegar.
Mas e gravitacionalmente? Se o Sol fosse espontaneamente (de alguma forma) removido da existência, quanto tempo a Terra permaneceria em sua órbita elíptica antes de voar em linha reta? Acredite ou não, a resposta para isso deve ser exatamente a mesma quantidade de tempo que foi para a luz: 8 minutos e 20 segundos. A velocidade da gravidade não apenas iguala a velocidade da luz em um grau incrivelmente preciso observacionalmente, mas essas duas constantes devem ser exatamente iguais teoricamente, ou a Relatividade Geral desmoronaria. Aqui está a ciência por trás do porquê.
A lei da Gravitação Universal de Newton foi substituída pela Relatividade Geral de Einstein, mas baseou-se no conceito de uma ação instantânea (força) à distância e é incrivelmente direta. A constante gravitacional nesta equação, G, juntamente com os valores das duas massas e a distância entre elas, são os únicos fatores na determinação de uma força gravitacional. G também aparece na teoria de Einstein. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS DENNIS NILSSON)
Antes do surgimento da Relatividade Geral, nossa teoria da gravidade mais bem-sucedida era a lei da gravitação universal de Newton. De acordo com Newton, a força gravitacional entre quaisquer dois objetos no espaço é definida por apenas quatro parâmetros:
- A constante gravitacional do Universo, G , que é o mesmo para todos.
- A massa do primeiro objeto, m , que experimenta a força gravitacional. (Pelo princípio de equivalência de Einstein, isso é o mesmo m que entra nas leis do movimento, como F = m para .)
- A massa do segundo objeto, M , que atrai o primeiro objeto.
- A distância entre eles, r , que se estende do centro de massa do primeiro objeto ao centro de massa do segundo.
Tenha em mente que estes são os únicos quatro parâmetros permitidos na gravitação newtoniana. Você pode realizar todos os tipos de cálculos a partir dessa lei de força para derivar, por exemplo, órbitas planetárias elípticas ao redor do Sol. Mas as equações só funcionam se a força gravitacional for instantânea.
As órbitas dos oito planetas principais variam em excentricidade e na diferença entre periélio (aproximação mais próxima) e afélio (distância mais distante) em relação ao Sol. Não há nenhuma razão fundamental para que alguns planetas sejam mais ou menos excêntricos do que outros; é simplesmente o resultado das condições iniciais das quais o Sistema Solar se formou. No entanto, se você desligar de alguma forma os efeitos gravitacionais do Sol, os planetas não voariam instantaneamente, mas os internos voariam primeiro, seguidos pelos externos, como os sinais gravitacionais do Sol só se propagam para fora na velocidade da gravidade, que deve ser igual à velocidade da luz. (NASA / JPL-CALTECH / R. HURT)
Isso pode confundi-lo um pouco. Afinal, se a velocidade da gravidade é apenas igual à velocidade da luz, em vez de uma força infinitamente rápida, então a Terra deveria ser atraída para onde o Sol estava 8 minutos e 20 segundos atrás, não para onde o Sol está agora, neste instante particular no tempo. Mas se você fizer esse cálculo e permitir que a Terra seja atraída para a posição passada do Sol em vez de sua posição atual, você obtém uma previsão para sua órbita que é tão completamente errada que o próprio Newton, com observações de qualidade que remontam a menos de 100 anos. (na época de Tycho Brahe), poderia tê-lo descartado.
De fato, se você usasse as leis de Newton para calcular as órbitas dos planetas e exigisse que elas correspondessem às observações modernas, não apenas a velocidade da gravidade teria que ser mais rápida que a velocidade da luz, mas também um mínimo de 20 bilhões de vezes mais rápido : indistinguível de uma velocidade infinita.
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)
O problema é este: se você tem uma força central, onde uma partícula ligada como (por exemplo) a Terra é atraída pelo Sol, mas se move ao redor do Sol (orbitando ou se propagando) a uma velocidade finita, você só obterá uma força puramente órbita elíptica se a velocidade de propagação dessa força for infinita. Se for finito, você não apenas obtém uma aceleração radial (em direção à outra massa), mas também obtém um componente que acelera sua partícula tangencialmente.
Isso tornaria as órbitas não apenas elípticas, mas instáveis. Na escala de um mero século, as órbitas mudariam substancialmente. Em 1805, Laplace usou observações da Lua para demonstrar que a velocidade da gravidade newtoniana deve ser 7 milhões de vezes maior que a velocidade da luz. As restrições modernas são agora 20 bilhões de vezes a velocidade da luz, o que é ótimo para Newton. Mas tudo isso colocou um grande fardo sobre Einstein.
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)
De acordo com Einstein, há um grande problema, conceitualmente, com a lei da força gravitacional de Newton: a distância entre dois objetos quaisquer não é uma quantidade absoluta, mas depende do movimento do observador. Se você estiver se aproximando ou se afastando de qualquer linha imaginária desenhada, as distâncias nessa direção se contrairão, dependendo de suas velocidades relativas. Para que a força gravitacional seja uma quantidade calculável, todos os observadores teriam que obter resultados consistentes, algo que você não pode obter combinando a relatividade com a lei da força gravitacional de Newton.
Portanto, de acordo com Einstein, você teria que desenvolver uma teoria que unisse gravitação e movimentos relativísticos, e isso significava desenvolver a Relatividade Geral: uma teoria relativista do movimento que incorporasse a gravidade a ela. Uma vez concluída, a Relatividade Geral contou uma história dramaticamente diferente.
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 em si é curvado pela presença e propriedades da matéria e energia dentro do Universo. Observe que o espaço-tempo só pode ser descrito se incluirmos não apenas a posição do objeto massivo, mas também onde essa massa está localizada ao longo do tempo. Tanto a localização instantânea quanto a história passada de onde esse objeto estava localizado determinam as forças experimentadas pelos objetos que se movem pelo Universo. (LUCASVB)
Para que diferentes observadores concordem sobre como a gravitação funciona, não pode haver espaço absoluto, tempo absoluto ou um sinal que se propaga em velocidade infinita. Em vez disso, o espaço e o tempo devem ser relativos para diferentes observadores, e os sinais só podem se propagar a velocidades exatamente iguais à velocidade da luz (se a partícula em propagação não tiver massa) ou a velocidades abaixo da velocidade da luz (se a partícula tiver massa).
Para que isso funcione, porém, tem que haver um efeito adicional para cancelar o problema de uma aceleração tangencial diferente de zero, que é induzida por uma velocidade finita da gravidade. Esse fenômeno, conhecido como aberração gravitacional, é quase exatamente cancelado pelo fato de que a Relatividade Geral também possui interações dependentes da velocidade. À medida que a Terra se move pelo espaço, por exemplo, ela sente a força do Sol mudar à medida que muda de posição, da mesma forma que um barco viajando pelo oceano descerá em uma posição diferente ao ser levantado e abaixado novamente por um onda passageira.
A radiação gravitacional é emitida sempre que uma massa orbita outra, o que significa que em escalas de tempo suficientemente longas, as órbitas decairão. Antes que o primeiro buraco negro evapore, a Terra entrará em espiral no que resta do Sol, supondo que nada mais o tenha ejetado anteriormente. A Terra é atraída para onde o Sol estava há aproximadamente 8 minutos, não para onde está hoje. (SOCIEDADE FÍSICA AMERICANA)
O que é notável, e de forma alguma óbvio, é que esses dois efeitos se cancelam quase exatamente. O fato de que a velocidade da gravidade é finita é o que induz essa aberração gravitacional, mas o fato de que a Relatividade Geral (ao contrário da gravidade newtoniana) tem interações dependentes da velocidade é o que permitiu que a gravidade newtoniana fosse uma boa aproximação. Há apenas uma velocidade que funciona para tornar esse cancelamento bom: se a velocidade da gravidade for igual à velocidade da luz.
Então essa é a motivação teórica para a razão pela qual a velocidade da gravidade deve ser igual à velocidade da luz. Se você quer que as órbitas planetárias sejam consistentes com o que vimos, e consistentes para todos os observadores, você precisa de uma velocidade da gravidade igual a c , e ter sua teoria relativisticamente invariante. Há outra ressalva, no entanto. Na Relatividade Geral, o cancelamento entre a aberração gravitacional e o termo dependente da velocidade é quase exato, mas não exatamente. Somente o sistema correto pode revelar a diferença entre as previsões de Einstein e as de Newton.
Quando uma massa se move através de uma região do espaço curvo, ela experimentará uma aceleração devido ao espaço curvo que habita. Também experimenta um efeito adicional devido à sua velocidade à medida que se move através de uma região onde a curvatura espacial está em constante mudança. Esses dois efeitos, quando combinados, resultam em uma pequena e minúscula diferença das previsões da gravidade de Newton. (DAVID CAMPEÃO, INSTITUTO MAX PLANCK DE RÁDIO ASTRONOMIA)
Em nossa própria vizinhança, a força da gravidade do Sol é muito fraca para produzir um efeito mensurável. O que você deseja é um sistema que tenha grandes campos gravitacionais a pequenas distâncias de uma fonte massiva, onde a velocidade do objeto em movimento seja rápida e mude (acelerando) rapidamente, em um campo gravitacional com um grande gradiente.
Nosso Sol não nos dá isso, mas o ambiente em torno de um buraco negro binário ou uma estrela de nêutrons binária sim! Idealmente, um sistema com um objeto massivo movendo-se com uma velocidade variável através de um campo gravitacional variável mostrará esse efeito. E um sistema binário de estrelas de nêutrons, onde uma das estrelas de nêutrons é um pulsar muito preciso, se encaixa perfeitamente.
Quando você tem um único objeto, como um pulsar, orbitando no espaço, ele pulsará toda vez que completar uma rotação de 360 graus para um observador fortuitamente alinhado. Se você colocar esse pulsar em um sistema binário com outro objeto massivo e denso, ele se moverá rapidamente por esse espaço, exibindo tanto os efeitos da aberração gravitacional quanto as interações dependentes da velocidade, e seu cancelamento inexato permite aos cientistas discernir as previsões relativísticas para isso. sistema dos newtonianos. (ESO/L. CALÇADA)
Um pulsar e, em particular, um pulsar de milissegundo, é o melhor relógio natural do Universo. À medida que a estrela de nêutrons gira, ela emite um jato de radiação eletromagnética que tem chance de ser alinhado com a perspectiva da Terra uma vez a cada rotação de 360 graus. Se o alinhamento estiver correto, observaremos esses pulsos chegando com exatidão e precisão extraordinariamente previsíveis.
Se o pulsar estiver em um sistema binário, no entanto, mover-se através desse campo gravitacional variável causará a emissão de ondas gravitacionais, que transportam energia para longe do sistema gravitacional. A perda dessa energia tem que vir de algum lugar e é compensada pelo decaimento das órbitas do pulsar. As previsões do decaimento do pulsar são altamente sensíveis à velocidade da gravidade; usando até mesmo o primeiro sistema de pulsar binário já descoberto por si só, PSR 1913+16 (ou o Binário Hulse-Taylor ), permitiu-nos restringir a velocidade da gravidade para ser igual à velocidade da luz para dentro apenas 0,2 % !
A taxa de decaimento orbital de um pulsar binário é altamente dependente da velocidade da gravidade e dos parâmetros orbitais do sistema binário. Usamos dados binários de pulsar para restringir a velocidade da gravidade a ser igual à velocidade da luz com uma precisão de 99,8% e inferir a existência de ondas gravitacionais décadas antes que o LIGO e o Virgo as detectassem. No entanto, a detecção direta de ondas gravitacionais era uma parte vital do processo científico, e a existência de ondas gravitacionais ainda estaria em dúvida sem ela. (NASA (L), INSTITUTO MAX PLANCK DE RÁDIO ASTRONOMIA / MICHAEL KRAMER (R))
Desde aquela época, outras medições também demonstraram a equivalência entre a velocidade da luz e a velocidade da gravidade. Em 2002, uma coincidência casual fez com que a Terra, Júpiter e um quasar de rádio muito forte (conhecido como QSO J0842+1835 ) para todos alinhar. Quando Júpiter passou entre a Terra e o quasar, seus efeitos gravitacionais fizeram com que a luz das estrelas se dobrasse de uma forma que dependia da velocidade da gravidade.
Júpiter fez, de fato, dobrar a luz do quasar , permitindo-nos descartar uma velocidade infinita para a velocidade da gravidade e determinar que estava realmente entre 255 milhões e 381 milhões de metros por segundo, consistente com o valor exato para a velocidade da luz (299.792.458 m/s) e também com as previsões de Einstein. Ainda mais recentemente, as primeiras observações de ondas gravitacionais nos trouxeram restrições ainda mais rígidas.
Ilustração de uma rápida explosão de raios gama, há muito pensada para ocorrer a partir da fusão de estrelas de nêutrons. O ambiente rico em gás ao seu redor pode atrasar a chegada do sinal, explicando a diferença observada de 1,7 segundo entre as chegadas das assinaturas gravitacionais e eletromagnéticas. Esta é a melhor evidência que temos, observacionalmente, de que a velocidade da gravidade deve ser igual à velocidade da luz. (ESO)
Desde a primeira onda gravitacional detectada e a diferença em seus tempos de chegada em Hanford, WA e Livingston, LA, aprendemos diretamente que a velocidade da gravidade igualou a velocidade da luz a cerca de 70% , o que não é uma melhoria em relação às restrições de tempo do pulsar. Mas quando 2017 viu a chegada de ondas gravitacionais e luz de uma fusão de estrelas de nêutrons com estrelas de nêutrons, o fato de que os sinais de raios gama vieram apenas 1,7 segundos após o sinal da onda gravitacional, em uma jornada de mais de 100 milhões de anos-luz, nos ensinou aquele a velocidade da luz e a velocidade da gravidade diferem em não mais do que 1 parte em um quatrilhão : 10¹⁵.
Desde que as ondas gravitacionais e os fótons não tenham massa de repouso, as leis da física ditam que eles devem se mover exatamente na mesma velocidade: a velocidade da luz, que deve ser igual à velocidade da gravidade. Mesmo antes de as restrições ficarem tão espetaculares, exigir que uma teoria gravitacional reproduza as órbitas newtonianas ao mesmo tempo em que seja relativisticamente invariante leva a essa conclusão inevitável. A velocidade da gravidade é exatamente a velocidade da luz, e a física não permitiria que fosse de outra maneira.
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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