A maioria das pessoas, com orientação científica ou não, tem pelo menos uma vaga ideia de que alguma quantidade ou conceito chamado "gravidade" é o que mantém os objetos, incluindo eles próprios, amarrados à Terra. Eles entendem que esta é uma bênção em geral, mas nem tanto em certas situações - digamos, quando empoleirados em um galho de árvore e um pouco sem saber como voltar ao solo ileso ou ao tentar estabelecer um novo recorde pessoal em um evento como o salto em altura ou a vara cofre.
Talvez seja difícil apreciar a própria noção de gravidade até ver o que acontece quando sua influência é diminuída ou obliterados, como ao assistir a filmagens de astronautas em uma estação espacial orbitando o planeta longe da Terra superfície. E, na verdade, os físicos têm pouca idéia do que em última instância "causa" a gravidade, não mais do que podem dizer a qualquer um de nós por que o universo existe. Os físicos, entretanto, produziram equações que descrevem o que a gravidade faz excepcionalmente bem, não apenas na Terra, mas em todo o cosmos.
Uma breve história da gravidade
Há mais de 2.000 anos, os antigos pensadores gregos tiveram muitas ideias que resistiram ao teste do tempo e sobreviveram à modernidade. Eles perceberam que objetos distantes, como planetas e estrelas (as verdadeiras distâncias da Terra das quais, é claro, os observadores não tinham como de saber) estavam, de fato, fisicamente ligados uns aos outros, apesar de presumivelmente não terem nada como cabos ou cordas conectando-os juntos. Na ausência de outras teorias, os gregos propunham que os movimentos do sol, da lua, das estrelas e dos planetas eram ditados pelos caprichos dos deuses. (Na verdade, todos os planetas conhecidos naquela época tinham nomes de deuses.) Embora essa teoria fosse clara e decisiva, não era testável e, portanto, não era mais do que um substituto para um método mais satisfatório e cientificamente rigoroso explicação.
Não foi até cerca de 300 a 400 anos atrás que astrônomos como Tycho Brahe e Galileo Galilei reconheceram que, ao contrário do ensinamentos então com cerca de 15 séculos de idade, a Terra e os planetas giravam em torno do sol, ao invés de a Terra estar no centro do universo. Isso pavimentou o caminho para explorações da gravidade como é atualmente entendida.
Teorias da Gravidade
Uma maneira de pensar na atração gravitacional entre os objetos, expressa pelo falecido físico teórico Jacob Bekenstein em um ensaio para CalTech, é como "forças de longo alcance que corpos eletricamente neutros exercem uns sobre os outros por causa de seu conteúdo de matéria." Isso é, enquanto os objetos podem sofrer uma força como resultado de diferenças na carga eletrostática, a gravidade, em vez disso, resulta em uma força devido à pura massa. Tecnicamente, você e o computador, telefone ou tablet em que está lendo isto exercem forças gravitacionais sobre uns aos outros, mas você e seu dispositivo habilitado para Internet são tão pequenos que essa força é virtualmente indetectável. Obviamente, para objetos na escala de planetas, estrelas, galáxias inteiras e até mesmo aglomerados de galáxias, é uma história diferente.
Isaac Newton (1642-1727), considerado uma das mentes matemáticas mais brilhantes da história e um dos co-inventores do campo do cálculo, propôs que a força da gravidade entre dois objetos é diretamente proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles. Isso assume a forma da equação:
F_ {grav} = \ frac {Gm_1m_2} {r ^ 2}
onde Fgrav é a força gravitacional em newtons, m1 e m2 são as massas dos objetos em quilogramas, r é a distância que separa os objetos em metros e o valor da constante de proporcionalidade G é 6,67 × 10-11 (N ⋅ m2)/kg2.
Embora esta equação funcione perfeitamente para os fins do dia-a-dia, seu valor diminui quando os objetos em questão são relativísticas, isto é, descritas por massas e velocidades bem fora do normal humano experiência. É aqui que entra a teoria da gravidade de Einstein.
Teoria Geral da Relatividade de Einstein
Em 1905, Albert Einstein, cujo nome é talvez o mais reconhecível na história da ciência e o mais sinônimo de feitos geniais, publicou sua teoria especial da relatividade. Entre outros efeitos que isso teve sobre o corpo existente de conhecimento da física, colocou em questão a suposição embutida na teoria de Newton conceito de gravidade, que é a gravidade operando instantaneamente entre os objetos, independentemente da vastidão de seus separação. Após os cálculos de Einstein estabeleceram que a velocidade da luz, 3 × 108 m / s ou cerca de 186.000 milhas por segundo, colocou um limite superior na rapidez com que qualquer coisa poderia ser propagada através do espaço, as idéias de Newton de repente pareciam vulneráveis, pelo menos em certos casos. Em outras palavras, embora a teoria da gravitação newtoniana continuasse a ter um desempenho admirável em quase todos os contextos imagináveis, ela claramente não era uma descrição universalmente verdadeira da gravidade.
Einstein passou os próximos 10 anos formulando outra teoria, uma que reconciliasse a gravidade básica de Newton com o limite superior, a velocidade da luz imposta, ou parecia impor, a todos os processos do universo. O resultado, que Einstein apresentou em 1915, foi a teoria geral da relatividade. O triunfo desta teoria, que constitui a base de todas as teorias gravitacionais até os dias atuais, é que enquadrou o conceito de gravitação como uma manifestação da curvatura do espaço-tempo, não como uma força por se Essa ideia não era totalmente nova; o matemático Georg Bernhard Riemann havia produzido ideias relacionadas em 1854. Mas Einstein, assim, transformou a teoria gravitacional de algo enraizado puramente em forças físicas para um mais teoria baseada na geometria: propôs uma quarta dimensão de fato, o tempo, para acompanhar as três dimensões espaciais que foram já familiarizado.
A gravidade da Terra e mais além
Uma das implicações da teoria geral da relatividade de Einstein é que a gravidade operava independentemente da massa ou da composição física dos objetos. Isso significa que, entre outras coisas, uma bala de canhão e uma bola de gude caídos do topo de um arranha-céu cairão em direção ao solo em a mesma velocidade, acelerada precisamente na mesma extensão pela força da gravidade, apesar de um ser muito mais massivo do que o outro. (É importante observar para fins de integralidade que isso é tecnicamente verdadeiro apenas no vácuo, onde a resistência do ar não é um problema. Uma pena claramente cai mais lentamente do que um arremesso de peso, mas no vácuo, esse não seria o caso.) Esse aspecto da ideia de Einstein era testável o suficiente. Mas e as situações relativísticas?
Em julho de 2018, uma equipe internacional de astrônomos concluiu um estudo de um sistema de estrelas triplas a 4.200 anos-luz da Terra. Um ano-luz sendo a distância que a luz percorre em um ano (cerca de seis trilhões de milhas), isso significa que os astrônomos aqui na Terra foram observar fenômenos reveladores de luz que realmente ocorreram por volta de 2.200 a.C. Este sistema incomum consiste em duas pequenas estrelas densas - uma delas "pulsar" girando em seu eixo 366 vezes por segundo, e o outro uma anã branca - orbitando uma a outra com um período notavelmente curto de 1,6 dias. Este par, por sua vez, orbita uma estrela anã branca mais distante a cada 327 dias. Em suma, a única descrição da gravidade que poderia explicar os movimentos frenéticos mútuos das três estrelas neste sistema altamente incomum era a teoria geral da relatividade de Einstein - e as equações, de fato, se encaixam na situação perfeitamente.