O que causa a gravidade na Terra?

Contente

• Uma Breve História da Gravidade
• Teorias da Gravidade
• Teoria Geral da Relatividade de Einsteins
• A Gravidade da Terra e Além

A maioria das pessoas, cientificamente orientada ou não, tem pelo menos uma vaga idéia de que alguma quantidade ou conceito chamado "gravidade" é o que mantém os objetos, inclusive eles mesmos, presos à Terra. Eles entendem que isso é uma bênção em geral, mas menos em certas situações - digamos, quando empoleirados em um galho de árvore e um pouco inseguros de como voltar ao chão incólume ou quando tentamos estabelecer um novo recorde pessoal em um evento como o salto em altura ou o salto com vara.

Talvez seja difícil apreciar a noção de gravidade em si até ver o que acontece quando sua influência é diminuída ou obliterada, como ao assistir imagens de astronautas em uma estação espacial que orbita o planeta longe da superfície da Terra. E, na verdade, os físicos têm pouca idéia do que, em última análise, "causa" a gravidade, assim como não podem dizer a nenhum de nós por que o universo existe em primeiro lugar. Os físicos, no entanto, 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

Mais de 2.000 anos atrás, os pensadores gregos antigos tiveram muitas idéias que resistiram amplamente ao teste do tempo e sobreviveram à modernidade. Eles perceberam que objetos distantes, como planetas e estrelas (as verdadeiras distâncias da Terra, das quais os observadores não tinham como saber) estavam, de fato, fisicamente ligados um ao outro, apesar de presumivelmente não terem nada como cabos ou cordas conectando-os juntos. Na ausência de outras teorias, os gregos propuseram que os movimentos do sol, da lua, das estrelas e dos planetas fossem ditados pelos caprichos dos deuses. (De fato, todos os planetas que conheciam naquela época tinham o nome de deuses.) Embora essa teoria fosse pura e decisiva, ela não era testável e, portanto, não era mais do que um substituto para uma explicação mais satisfatória e cientificamente rigorosa.

Somente cerca de 300 a 400 anos atrás, astrônomos como Tycho Brahe e Galileo Galilei reconheceram que, ao contrário dos ensinamentos bíblicos de quase 15 séculos de idade, a Terra e os planetas giravam em torno do sol, em vez de a Terra estar Centro do universo. Isso abriu o caminho para explorações da gravidade como é atualmente entendida.

Teorias da Gravidade

Uma maneira de pensar na atração gravitacional entre objetos, expressa pelo falecido físico teórico Jacob Bekenstein em um ensaio para a CalTech, é como "forças de longo alcance que corpos eletricamente neutros exercem um sobre o outro por causa de seu conteúdo de matéria". Ou seja, enquanto os objetos podem experimentar uma força como resultado de diferenças na carga eletrostática, a gravidade resulta em uma força devido à pura massa. Tecnicamente, você e o computador, telefone ou tablet estão lendo isso exercendo forças gravitacionais um sobre o outro, mas você e seu dispositivo habilitado para Internet são tão pequenos que essa força é praticamente indetectável. Obviamente, para objetos na escala de planetas, estrelas, galáxias inteiras e até aglomerados de galáxias, é uma história diferente.

Isaac Newton (1642-1727), creditado como sendo uma das mentes matemáticas mais brilhantes da história e um dos co-inventores do campo de cálculo, propôs que a força da gravidade entre dois objetos é diretamente proporcional ao produto de seus objetos. massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas. Isso assume a forma da equação:

F_grav = (G × m₁ × m₂) / r²

onde F_grav 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 essa equação funcione de maneira excelente para fins cotidianos, seu valor diminui quando os objetos em questão são relativísticos, isto é, descritos por massas e velocidades muito além da experiência humana típica. É aqui que entra a teoria da gravidade de Einstein.

Teoria Geral da Relatividade de Einsteins

Em 1905, Albert Einstein, cujo nome é talvez o mais reconhecido na história da ciência e o mais sinônimo de façanhas em nível de gênio, publicou sua teoria especial da relatividade. Entre outros efeitos que isso teve sobre o corpo existente de conhecimento da física, questionou a suposição incorporada ao conceito de gravidade de Newton, que é a gravidade efetivamente operada instantaneamente entre objetos, independentemente da vastidão de sua separação. Após os cálculos de Einsteins estabelecerem que a velocidade da luz, 3 × 10⁸ m / s ou cerca de 300.000 quilômetros por segundo, estabeleceu um limite superior para a rapidez com que qualquer coisa poderia ser propagada pelo espaço, as idéias de Newton pareciam subitamente vulneráveis, pelo menos em certos casos. Em outras palavras, enquanto a teoria gravitacional newtoniana continuou a ter um desempenho admirável em quase todos os contras imagináveis, claramente não era uma descrição universalmente verdadeira da gravidade.

Einstein passou os dez anos seguintes formulando outra teoria, uma que reconciliaria a estrutura gravitacional básica de Newton com o limite superior da velocidade da luz imposta, ou parecia impor, a todos os processos do universo. O resultado, introduzido por Einstein em 1915, foi a teoria geral da relatividade. O triunfo dessa teoria, que forma a base de todas as teorias gravitacionais até os dias atuais, é que ela moldou o conceito de gravitação como uma manifestação da curvatura do espaço-tempo, não como uma força per se. Essa ideia não era totalmente nova; o matemático Georg Bernhard Riemann produziu idéias relacionadas em 1854. Mas Einstein transformou, assim, a teoria gravitacional de algo enraizado puramente nas forças físicas em uma teoria mais baseada em geometria: propôs uma quarta dimensão de fato, tempo, para acompanhar as três dimensões espaciais. isso já era familiar.

A Gravidade da Terra e 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 um mármore caído do topo de um arranha-céu cairão em direção ao chão na mesma velocidade, acelerados precisamente na mesma extensão pela força da gravidade, apesar de um ser muito mais massivo que o outro . (É importante observar, por uma questão de exaustividade, 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 idéia 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. Sendo um ano-luz a distância que a luz viaja em um ano (cerca de seis trilhões de quilômetros), isso significa que os astrônomos aqui na Terra estavam observando fenômenos reveladores de luz que realmente ocorreram em cerca de 2.200 a.C. Esse sistema incomum consiste em duas estrelas minúsculas e densas - uma "pulsar" girando em seu eixo 366 vezes por segundo e a outra uma anã branca - orbitando uma à outra com um período notavelmente curto de 1,6 dias. Este par orbita uma estrela anã branca mais distante a cada 327 dias. Em resumo, a única descrição da gravidade que poderia explicar os movimentos frenéticos mútuos das três estrelas nesse sistema altamente incomum era a teoria geral da relatividade de Einstein - e as equações, de fato, se encaixam perfeitamente na situação.