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Este ano, a Teoria da Relatividade Geral completa 100 anos e depois de um século, ela ainda fascina.

A famosa teoria, publicada por Einstein em 1915, continua a ser o alicerce sobre o qual a compreensão dos cientistas sobre a origem e evolução do universo descansa. Ela continua a inspirar a investigação sobre algumas das perguntas não respondidas mais fundamentais da física e da astronomia.
Teoria da Relatividade Geral 100 anos. Créditos: Felipe Sérvulo
A natureza da gravidade

A relatividade geral acrescenta a gravidade na a teoria da relatividade especial, que Einstein publicou em 1905 na qual lhe rendeu um Nobel. A relatividade especial postula que as leis da física são as mesmas para todos os observadores não inerciais, e que a velocidade da luz no vácuo nunca muda, mesmo se o observador ou a fonte de luz estiverem em movimento.

A relatividade especial estabeleceu a relação entre energia e massa, na equação mais famosa da história: E = mc 2("E" é a energia; "m" é a massa, e "c" ou "celeritas" é a velocidade da luz no vácuo - aproximadamente 300.000 km/s ou 1.800.000 km/h). A teoria também unificou o espaço e o tempo em uma quarta dimensão chamada de "espaço-tempo".

A relatividade geral expandiu esta última ideia, explicando que a matéria distorce o espaço-tempo. Essa é nova e magnífica versão da gravidade. Mas ela não veio para Albert Einstein tão facilmente; ela ganhou um certo caminho para ele em mais de uma década de pensamento intenso e árduo trabalho.

Diagrama mostrando a curvatura do espaço tempo de diferentes corpos. Na esquerda, de cima para baixo, temos o Sol, uma anã branca e uma estrela de nêutrons. Na direita, temos a maior curvatura existente: a de um buraco negro, onde nem mesmo a luz pode escapar. 

"Ele teve que refazer seus passos. Ele propôs coisas que ele posteriormente retraídos. Mas ele manteve em curso", disse Blandford. "Ele não era guiado por idéias matemáticas ou técnicas matemáticas Ele foi orientado em primeiro lugar, pela intuição física;. Que extraordinariamente poderosa intuição física que lhe servira tão bem no passado não deixá-lo aqui para baixo."

É um poderosa e radical Teoria - e tem resistido ao escrutínio intenso por um século, disse Blandford, no seu artigo de revisão especial publicado online (5 de março) na revista Science.

A Confirmação da Teoria 


A relatividade geral prevê que a luz terá uma trajetória curva em torno de um objeto de grande massa, como um aglomerado de galáxias, o que distorce o tecido do espaço-tempo de forma significativa.

Este foi de fato observado; astrônomos usam rotineiramente "lentes gravitacionais" para estudar as fontes de luz distantes. Na verdade, em menor escala, o fenômeno ainda ajuda os caçadores de planetas busca de mundos além do sistema solar da Terra. ( Exoplanetas às vezes podem ser detectados através de estudos dos seus sistemas estelares que dobram a luz dos objetos de fundo).

Peculiaridades na órbita de Mercúrio em torno do Sol também voltam-se a relatividade geral. "Ele explicou a precessão anômala do periélio de Mercúrio, ou a rotação da linha que une o sol até o ponto de maior aproximação do planeta", explicou Blandford no  artigo de revisão da Science . "Einstein usou a  relatividade geral para explicar a discrepância ~ 10 por cento na precessão atribuível às forças gravitacionais dos outros planetas, ~ 43 segundos de arco por século. O acordo de hoje é melhor do que 10 -4 . "

Outros tipos de evidências observacionais também têm ajudado a colocar a relatividade geral em base firme. 

"Fizemos testes em muitas, muitas maneiras diferentes", disse ele. "Eu acho que é justo dizer que não há nenhuma medida credível ou observação que faz com que se duvide-lo dentro de seu domínio de aplicabilidade."

A confirmação observacional da Teoria da Relatividade Geral de Einstein foi confirmada com um Eclipse visto aqui mesmo no Brasil em 29 de maio de 1919.

Duas expedições foram organizadas pela Royal Astronomical Society para a observação desse fenômeno. Uma delas, chefiada pelo astrônomo Andrew Crommelin veio para Sobral (CE), cidade com 2.000 habitantes na época. Uma outra, chefiada por Eddington, que se dirigiu para a Ilha do Príncipe, localizada na costa atlântica da África, nas proximidades da Guiné Equatorial.

Esses eram os locais apontados pelos cálculos astronômicos como aqueles que apresentariam as melhores condições para a observação do fenômeno. Na Ilha do Príncipe o mau tempo prejudicou o trabalho. Na hora do eclipse o céu estava bastante nublado, fazendo com que apenas duas das várias fotografias efetuadas apresentassem imagens de estrelas. Em Sobral as condições meteorológicas foram muito melhores. Foram obtidas sete boas imagens do fenômeno.




Imagem do eclipse solar de 29 de maio de 1919, foto obtida em Sobral. As linhas verdes marcam as posições das estrelas usadas para a verificação da Teoria Geral da Relatividade


Um universo escuro

Albert Einstein, Edwin Hubble, e Walter Adams


A relatividade geral também implica que a grande maioria do universo é composto de coisas que os seres humanos não conseguem detectar diretamente ou (até o momento) compreender.



O estudo cuidadoso do movimento da matéria e da luz em todo o universo, revelou que a matéria "normal" por si sozinha não pode explicar os padrões de curvatura do espaço-tempo. De fato, as observações sugerem que apenas 4 ou 5 por cento do universo é composto de matéria atômica familiar, enquanto 25 por cento é a matéria escura e cerca de 70 por cento é a energia escura.


A matéria escura não emite nem absorve luz, fazendo com que sua existência só possa ser comprovada indiretamente através dos seus efeitos gravitacionais. A energia escura , entretanto, é uma força misteriosa que está associada com o espaço vazio e é pensado para ser responsável pela aceleração da expansão do universo.

Em 1917, Einstein inseriu um termo chamado de " constante cosmológica" na relatividade geral, como uma força repulsiva que iria contrariar a gravidade e alcançar um universo estático (que era a visão predominante da natureza do universo na época). Após as observações do astrônomo Edwin Hubble, em 1929, mostrou-se que o universo está em expansão, na verdade, Einstein abandonou a constante cosmológica, alegadamente, considerando-o "maior erro" de sua vida. 

Mas parece que a Constante cosmológica de Einstein não era uma ideia tão ruim, uma vez que os astrônomos atuais estão com seus olhos voltados para a energia escura. 

"Por que está acelerando o universo? A possibilidade mais estudada é que a constante cosmológica (ou equivalentemente, a energia do vácuo do espaço vazio) está dirigindo aceleração cósmica",  escreve Spergel  no artigo da Science. "Outra possibilidade é que existe um campo escalar em evolução, que preenche o espaço (como o campo de Higgs ou o campo de inflação que levou à rápida expansão no início do universo). Ambas as possibilidades são agrupadas na 'energia escura'.

"Porque todas as evidências para a energia escura usam as equações da relatividade geral para interpretar as nossas observações de expansão e evolução do universo, uma conclusão alternativa é que uma nova teoria da gravidade é necessária para explicar as observações", acrescenta. "As possibilidades incluem teorias de gravidade modificadas com dimensões extras."

O futuro


A relatividade geral deve continuar a moldar os esforços dos físicos, cosmólogos e astrônomos em um futuro distante. Ela dará a base teórica para futuras naves espaciais que poderão cruzar o espaço tempo ou até mesmo dobrá-lo, como vemos em Star Trek. Além disso, a teoria será base para entender melhor todo o Universo.


Por exemplo, os pesquisadores vão continuar a usar a teoria para obter uma melhor compreensão dos buracos negros, buracos de minhoca, estrelas de nêutrons e outros corpos celestes e fenômenos. Os cientistas também vão continuar investigando a natureza da energia escura e matéria escura, em um esforço para compreender o universo nas escalas mais amplas.


Por último, e talvez o mais empolgante, os pesquisadores vão continuar a tentar unificar a relatividade geral com a mecânica quântica, para se casar com o mundo do muito grande com a do muito pequeno. Esta é a "GRANDE  e ANSIADA teoria de tudo que "iludiu físicos até agora.

Referências:

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Autor Felipe Sérvulo

Graduado em Física pela UEPB. Mestrando em Cosmologia, gravitação e física das partículas pela UFCG. Possui experiência na área de divulgação científica com ênfase em astronomia, astrofísica, astrobiologia, cosmologia, biologia evolutiva e história da ciência. Possui experiência na área de docência informática, física, química e matemática, com ênfase em desenvolvimento de websites e design gráfico e experiência na área de artes, com ênfase em pinturas e desenhos realistas. Fundador do Projeto Mistérios do Universo, colaborador, editor, tradutor e colaborador da Sociedade Científica e do Universo Racionalista. Membro da Associação Paraibana de Astronomia. Pai, nerd, geek, colecionador, aficionado pela arte, pela astronomia e pelo Universo. Curriculum Lattes: http://lattes.cnpq.br/8938378819014229
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