Pergunte a Ethan: se a massa curva o espaço-tempo, como ela se endireita?

A curvatura do espaço-tempo perto de qualquer objeto maciço é determinada pela combinação de massa e distância ao centro de massa. É necessário levar em consideração outros parâmetros, como velocidade, aceleração e outras fontes de energia.

A matéria diz ao espaço como dobrar, e o espaço curvo diz à matéria como se mover. Esse é o princípio básico da relatividade geral de Einstein, que pela primeira vez conectou um fenômeno como a gravidade ao espaço-tempo e à relatividade. Coloque a massa em qualquer lugar do universo, e o espaço ao seu redor reagirá por curvatura. Mas se você remove a massa ou a move, o que faz com que o espaço-tempo "se encaixe", assumindo uma posição sem distorção? Essa pergunta é feita pelo nosso leitor:

Somos ensinados que a massa deforma o espaço-tempo, e a curvatura do espaço-tempo em torno da massa explica a gravidade - por exemplo, um objeto em órbita ao redor da Terra realmente se move em uma linha reta, no espaço-tempo curvo. Suponha que isso faça sentido, mas quando uma massa (como a Terra) se move pelo espaço-tempo e a curva, por que o espaço-tempo não permanece curvado? Que mecanismo endireita esse espaço-tempo quando a massa se move?

Muitas coisas interessantes estão relacionadas a essa pergunta, e a resposta pode realmente ajudá-lo a entender como a gravidade funciona.


A curvatura do espaço, dada pelos planetas e pelo Sol em nosso sistema solar, deve ser levada em consideração no processo de qualquer observação que uma nave espacial ou outro observatório possa fazer. Os efeitos da relatividade geral, mesmo os menores, não podem ser ignorados.

Centenas de anos antes de Einstein, o newtoniano era nossa melhor teoria da gravidade. O conceito de universo de Newton era simples, direto e filosoficamente não satisfazia a muitos. Ele afirmou que quaisquer duas massas do Universo, independentemente de sua localização e distância, se atraem instantaneamente com a ajuda de uma força mútua, conhecida como gravidade. Quanto mais maciço cada corpo, maior a força e quanto mais eles estão localizados, menor a força (diminuindo com o quadrado da distância). Isso se aplica a todos os objetos do Universo, e a lei da gravitação universal de Newton , ao contrário de todas as outras alternativas existentes, idealmente coincidiu com as observações.


A lei da gravitação universal de Newton, substituída pela teoria da relatividade de Einstein, baseava-se na ação instantânea de forças à distância

Mas ele introduziu uma ideia que muitas das maiores mentes da época não podiam aceitar: o conceito de ação à distância. Como dois objetos localizados em diferentes extremos do universo afetam-se repentina e instantaneamente? Como eles podem interagir a uma distância tão grande para que não haja nada entre eles? Descartes não pôde aceitar esse conceito e, em vez disso, formulou outro, no qual havia um ambiente através do qual a gravidade se propagava. Ele alegou que o cosmos é preenchido com algum tipo de matéria e, quando a massa se move através dele, ela desloca a matéria e cria vórtices - essa era uma versão inicial do éter. Essa teoria foi a primeira de uma longa linha do que mais tarde seria chamado de teorias mecânicas (ou cinéticas) da gravidade .


Na versão da gravidade de Descartes, o espaço era preenchido com éter, e apenas seu deslocamento poderia explicar a gravidade. Essa idéia não levou à formulação da gravidade, que coincidiu com as observações.

Obviamente, o conceito de Descartes estava errado. A utilidade da teoria física determina coincidência com o experimento, e não nossa predisposição a certos critérios estéticos. Quando a GTR apareceu, mudou fundamentalmente a imagem desenhada pelas leis de Newton. Por exemplo:

• O espaço e o tempo não eram absolutos e iguais em todos os lugares, mas estavam conectados e se comportavam de maneira diferente para observadores que se moviam em velocidades diferentes em lugares diferentes.
• A gravidade não age instantaneamente, mas se move a uma velocidade limitada - à velocidade da luz.
• A gravidade é determinada não diretamente pela massa e pela posição, mas pela curvatura do espaço, que, por sua vez, é determinada por toda a massa e energia do universo.

A ação à distância não desapareceu, mas a "força que atua a uma distância infinita pelo espaço parado" foi substituída pela curvatura do espaço-tempo.


A curvatura do espaço-tempo significa que os relógios localizados mais profundamente no poço gravitacional - e, portanto, no espaço mais fortemente curvado - operam a uma velocidade diferente dos relógios localizados em um espaço menos profundo e menos curvado.

Se o Sol desaparecesse repentinamente do Universo, por algum tempo não saberíamos disso. A terra não teria voado em linha reta; continuaria girando em torno da localização do Sol por mais 8 minutos e 20 segundos. A gravidade é determinada não pela massa, mas pela curvatura do espaço, que é determinada pela soma de toda a matéria e energia que está nela.

Se você removesse o Sol, o espaço passaria de um estado curvo para um plano, mas essa transformação não ocorrerá instantaneamente. O espaço-tempo é um tecido, e a transição deve ocorrer na forma de algum tipo de movimento agudo, enviando ondas muito grandes - gravitacionais - através do Universo, que se propagam por ele como ondulações na superfície de uma lagoa.


Cada onda que se propaga no meio ou no vácuo tem uma velocidade de propagação. Não há velocidade infinita e, em teoria, a velocidade de propagação das ondas gravitacionais deve coincidir com a velocidade máxima permitida no Universo: a velocidade da luz.

A velocidade de propagação das ondas é determinada da mesma maneira que a velocidade de tudo na teoria da relatividade: sua energia e massa. Como as ondas gravitacionais não têm massa, mas têm energia finita, elas devem se mover à velocidade da luz. E isso significa que a Terra não está realmente ligada diretamente à localização do Sol no espaço - está ligada ao local onde o Sol estava há pouco mais de 8 minutos atrás.


A radiação gravitacional aparece toda vez que uma massa se move em uma órbita em torno de outra, portanto, as órbitas diminuem por um tempo bastante longo. Em algum momento no futuro, a Terra entrará em espiral no que resta do Sol, se antes esse corpo não o lançasse em órbita. A Terra está ligada ao local onde o Sol estava cerca de 8 minutos atrás, e não ao local em que está no momento.

Isso é estranho e potencialmente um problema, já que estudamos muito bem o sistema solar. Se a Terra estivesse ligada à localização do Sol, que ocupava há 8 minutos, de acordo com as leis de Newton, as órbitas dos planetas não coincidiriam com as observações. No entanto, o GRT difere em outro aspecto. Para os cálculos, é necessário levar em consideração a velocidade do planeta em órbita ao redor do Sol.

Por exemplo, a Terra, uma vez que também se move, em certo sentido, "cavalga" nessas ondas que viajam pelo espaço, caindo não onde havia sido levantada antes. Existem dois novos fenômenos no GR que o distinguem fortemente do newtoniano: a percepção da gravidade do objeto é afetada pela velocidade de cada objeto, bem como pelas mudanças no campo gravitacional.


O tecido do espaço-tempo, com ondas e deformações ocorrendo devido à presença de massas. O tecido do espaço, é claro, é curvo, mas quando a massa se move através de um campo gravitacional em mudança, muitas coisas interessantes acontecem.

Se você deseja calcular a curvatura do espaço-tempo em qualquer ponto do espaço, o GR permite que você faça isso, mas precisa saber algo primeiro. Você precisa conhecer a localização, magnitude e distribuição de todas as massas do universo, exatamente como Newton exigiu. Além disso, você precisa de informações sobre o seguinte:

• como essas massas se movem e se movem
• como todas as outras formas de energia que não pertencem à massa são distribuídas,
• como o objeto do qual você está observando se move em um campo gravitacional variável,
• e como a curvatura do espaço muda com o tempo.

E somente junto com esse conhecimento adicional podemos calcular a curvatura do espaço em um determinado ponto no espaço e no tempo.


A evolução do espaço-tempo e o trabalho da gravidade são determinados não apenas pela posição e magnitude das massas, mas também pela maneira como elas se movem uma em relação à outra e aceleram em um campo gravitacional em mudança.

Essa curvatura e alisamento têm seus custos. A Terra em aceleração não pode simplesmente se mover no campo gravitacional em mudança do Sol sem consequências. Eles existem, embora pequenos, e podem ser medidos. Diferentemente da teoria de Newton, segundo a qual a Terra deve descrever uma elipse fechada movendo-se ao redor do Sol, GR prevê que essa elipse deve sofrer uma precessão ao longo do tempo, e a órbita diminuirá lentamente. O intervalo de tempo durante o qual isso acontecerá pode exceder a idade atual do Universo, mas, no entanto, a órbita não permanecerá estável por um tempo arbitrário.

Mesmo antes de medirmos as ondas gravitacionais, este era o principal método para medir a velocidade da gravidade. Não no exemplo da Terra, mas no exemplo de um sistema com parâmetros extremos, no qual a mudança na órbita pode ser facilmente percebida: um sistema de dois objetos em uma órbita próxima, pelo menos um dos quais é uma estrela de nêutrons.


A maneira mais fácil de ver esse efeito é se um objeto massivo se mover com uma velocidade que muda rapidamente em um campo gravitacional forte e em mudança. E tais condições nos dão sistemas binários de estrelas de estrelas de nêutrons! Uma ou duas dessas estrelas rotativas emitem impulsos visíveis na Terra toda vez que o eixo da estrela passa pela linha de visão. As previsões da teoria da gravidade de Einstein são extremamente sensíveis à velocidade da luz, tanto que, mesmo após observar o primeiro pulsar, o sistema binário PSR 1913 + 16 , descoberto na década de 1980 ( o sistema binário de Hals-Taylor ), impusemos restrições à velocidade da gravidade, que coincidiu com a velocidade da luz dentro do erro de medição de apenas 0,2%!


A taxa de diminuição na órbita de um pulsar duplo depende fortemente da velocidade da gravidade e dos parâmetros orbitais do sistema binário. Usamos dados do pulsar binário para limitar a velocidade da gravidade e equipará-lo à velocidade da luz com uma precisão de 99,8%

Somente pelo exemplo desses pulsares duplos aprendemos que a velocidade da gravidade está na faixa de 2.993 × 10 ⁸ - 3.003 × 10 ⁸ m / s. Isso confirma a GTR e exclui a gravidade newtoniana e outras alternativas. Mas um mecanismo que explica por que o espaço não se dobra quando a massa que estava em algum lugar o deixa; GR não é uma explicação para isso. Uma massa que se move com aceleração através de um campo gravitacional em mudança irradia energia, e essa energia serão ondas, conhecidas como ondas gravitacionais, passando pela questão do espaço-tempo. Um retorno a um estado de equilíbrio e sem distorção ocorre naturalmente. Não requer mais explicações, GR é tudo. [ Quando perguntaram a Newton sobre a natureza da gravidade, ele respondeu: Eu não faço uma hipótese / aprox. perev. ]