Por que não temos gravidade artificial no espaço?
No espaço sideral, mesmo que todas as massas do Universo gravitem normalmente, não há 'para cima' ou 'para baixo' como existe na Terra, pois a espaçonave e todos a bordo aceleram devido à gravidade na mesma taxa. Crédito da imagem: NASA / ESA / ISS Expedition 37.
Todos os tipos de tecnologias futuristas se tornaram realidade. Então, por que os astronautas ainda não têm peso?
Coloque um ser humano no espaço, longe das ligações gravitacionais da superfície da Terra, e eles experimentarão a ausência de peso. Embora todas as massas do Universo ainda as estejam atraindo gravitacionalmente, elas também puxam qualquer espaçonave em que você esteja, e assim você flutua. Em programas de TV e filmes como Jornada nas Estrelas , Guerra das Estrelas , Battlestar Galactica e muitos outros, porém, você sempre vê os tripulantes da nave de forma estável no chão da nave estelar, independentemente de quaisquer outras condições. Isso exigiria que algum tipo de gravidade artificial fosse fisicamente possível, mas essa é uma tarefa difícil para as leis da ciência como as conhecemos atualmente.
Capitão Gabriel Lorca a bordo da ponte do Discovery, durante uma missão de combate simulada com os Klingons. Toda a tripulação é puxada para baixo pela gravidade artificial, que é hoje uma tecnologia de ficção científica. Crédito da imagem: Jan Thijs/CBS 2017 CBS Interactive.
Para a gravitação, a grande lição de Einstein é o princípio da equivalência: que um referencial uniformemente acelerado é indistinguível de um campo gravitacional. Se você estivesse em um foguete e incapaz de ver o Universo fora de seu entorno, não teria como saber qual deles estava acontecendo: você sente a força descendente devido à gravidade ou sente a força descendente? porque seu foguete está acelerando em uma direção específica? Essa foi a ideia que levou à Relatividade Geral e, mais de 100 anos depois, é a descrição mais correta de gravitação e aceleração que conhecemos.
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. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Markus Poessel, retocada por Pbroks13.
Há outro truque que podemos usar se quisermos: podemos fazer uma nave espacial girar. Em vez de uma aceleração linear (como um impulso em um foguete), você pode ter uma aceleração centrípeta no trabalho, onde uma pessoa a bordo sentirá o casco externo de uma nave espacial empurrando-os para o centro. Isso foi usado no famoso 2001: A Space Odyssey, e, se sua espaçonave fosse grande o suficiente, seria indistinguível de uma força gravitacional.
Mas é absolutamente isso. Esses três tipos de aceleração – gravitacional, linear e rotacional – são os únicos que temos que terão os efeitos da gravidade. O que é um grande, grande problema a bordo de uma nave espacial.
Um conceito de estação de 1969, para ser montado em órbita a partir de estágios gastos do programa Apollo. A estação deveria girar em seu eixo central para produzir gravidade artificial. Crédito da imagem: NASA.
Por quê? Porque se você quiser viajar para outro sistema estelar, terá que acelerar sua nave para chegar lá… e terá que desacelerar sua nave assim que chegar. A menos que você possa se proteger contra essas acelerações, a catástrofe espera por você. Por exemplo, para acelerar para impulso total em Star Trek, alguns por cento da velocidade da luz, faria com que experimentasse mais de 4.000 g s de aceleração, mesmo que você levasse uma hora para acelerar. Isso é mais de 100 vezes a aceleração necessária para evitar que o sangue flua pelo seu corpo: uma situação ruim, não importa como você o gire.
Este lançamento do ônibus espacial Columbia em 1992 mostra que a aceleração não é apenas instantânea para um foguete, mas ocorre durante um longo período de tempo que abrange muitos minutos. Para uma nave estelar, versus um foguete, a aceleração seria muitas vezes maior, mesmo se sustentada, do que um corpo humano poderia suportar. Crédito da imagem: NASA.
Além disso, a menos que você queira ser efetivamente sem peso durante a longa jornada – sujeitando-se a horríveis desgastes biológicos, como perda óssea e cegueira espacial – você desejará algum tipo de força exercida continuamente em seu corpo. Para as outras forças, isso é facilmente factível. No eletromagnetismo, por exemplo, você pode colocar a tripulação dentro de uma concha condutora e quaisquer campos elétricos externos são cancelados. Você poderia então configurar duas placas paralelas dentro e ter um campo elétrico constante, fazendo com que as cargas fossem empurradas em uma direção específica.
Se ao menos a gravidade funcionasse da mesma maneira.
Diagrama esquemático de um capacitor, onde duas placas condutoras paralelas possuem cargas iguais e opostas, criando um campo elétrico uniforme entre elas. Essa configuração é impossível para a gravidade, a menos que haja alguma forma de massa gravitacional negativa. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Papa November.
Não existe um condutor gravitacional, e nenhuma maneira de se proteger da força gravitacional. Também não há como estabelecer um campo gravitacional uniforme em uma região do espaço, como entre duas placas. A razão? Porque, ao contrário da força elétrica, que é gerada por cargas positivas e negativas, há apenas um tipo de carga gravitacional, que é massa e energia. A força gravitacional é sempre atrativa, e simplesmente não há como contornar isso. Em vez disso, você precisa fazer o melhor que puder com os três tipos de aceleração – gravitacional, linear e rotacional – disponíveis para você.
A esmagadora maioria de todos os quarks e léptons do Universo são feitos de matéria, mas existem contrapartes de antimatéria de cada um deles, cujas massas gravitacionais são indeterminadas. Crédito da imagem: Projeto de Educação Física Contemporânea (CPEP), Departamento de Energia dos EUA / NSF / LBNL.
A única maneira de você ser capaz de ter gravidade artificial, tanto para protegê-lo dos efeitos da aceleração de sua nave quanto para lhe dar um puxão constante para baixo sem precisar acelerá-la, é se de alguma forma você descobrir um tipo de massa gravitacional negativa. Todas as partículas e antipartículas que já descobrimos têm uma massa positiva, mas essas são massas inerciais, ou a massa da qual você fala quando acelera ou cria uma partícula. (Ou seja, o m dentro F = m para , e as m dentro E = mc2 .) Demonstramos que a massa inercial e a massa gravitacional são as mesmas para todas as partículas que conhecemos, mas nunca testamos isso suficientemente para antimatéria ou antipartículas.
A colaboração ALPHA chegou o mais próximo de qualquer experimento para medir o comportamento da antimatéria neutra em um campo gravitacional. Crédito da imagem: Maximilien Brice/CERN.
Existem experimentos trabalhando para fazer isso agora! O experimento ALPHA no CERN criou anti-hidrogênio: uma forma estável de antimatéria neutra, e está trabalhando para isolá-la de todas as outras partículas em velocidades muito baixas. Se ele se tornar sensível o suficiente, poderemos então medir de que maneira ele cai em um campo gravitacional. Se cair, o mesmo que a matéria normal, então tem massa gravitacional positiva e não podemos usá-la para construir um condutor gravitacional. Mas se cair em um campo gravitacional, isso muda tudo. Com um único resultado experimental, a gravidade artificial de repente se tornaria uma possibilidade física.
A possibilidade de ter gravidade artificial é tentadora, mas se baseia na existência de massa gravitacional negativa. A antimatéria pode ser essa massa, mas ainda não sabemos, experimentalmente. Crédito da imagem: Rolf Landua / CERN.
Se a antimatéria tem massa gravitacional negativa, então, estabelecendo um teto de antimatéria e um piso de matéria normal, poderíamos criar um campo de gravidade artificial que sempre o puxasse para baixo. Ao construir uma concha gravitacionalmente condutora como o casco de nossa espaçonave, todos dentro dela estariam protegidos das forças de aceleração ultrarrápida que, de outra forma, seriam letais. E o mais espetacular, os humanos no espaço não sofreriam mais os efeitos fisiológicos negativos, desde distúrbios do equilíbrio até a atrofia do músculo cardíaco, que atualmente atormentam os astronautas de hoje. Mas até descobrirmos uma partícula (ou conjunto de partículas) com massa gravitacional negativa, a gravidade artificial só será produzida através da aceleração, não importa quão espertos sejamos.
A gravidade artificial é uma das 28 Treknologies apresentadas no novo livro de Ethan Siegel, Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive , agora disponível onde quer que os livros sejam vendidos.
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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