Um diagrama de uma forte curvatura do espaço-tempo perto do horizonte de eventos de um buraco negro. Quanto mais perto você chega de um corpo maciço, mais espaço é curvo. Como resultado, você se encontra em um lugar do qual nem mesmo a luz pode escapar: dentro do horizonte de eventos.
A maioria das pessoas, pensando sobre o Universo, imagina objetos materiais localizados a enormes distâncias cósmicas uns dos outros. Sob a influência de sua própria gravidade, a matéria entra em colapso, formando estruturas cósmicas como galáxias. Nuvens de gás, colapsando, dão origem a estrelas e planetas. As estrelas emitem luz ao queimar combustível em reações de fusão nuclear. Essa luz viaja por todo o universo, iluminando tudo o que encontra. No entanto, o universo não é apenas sobre objetos dentro dele. Há também a estrutura do espaço-tempo, que atua segundo suas próprias regras - pelas regras da teoria da relatividade geral (GR). A estrutura do espaço-tempo é curva na presença de matéria e energia, enquanto a própria curvatura da estrutura do espaço-tempo dita como a matéria e a energia se movem. Mas o que é, especificamente, espaço-tempo é algo "real",ou apenas uma ferramenta de cálculo? O leitor nos pergunta sobre isso:
O que exatamente é o espaço-tempo? É algo real como os átomos ou é uma construção matemática usada para descrever como a massa "gera" a gravidade?
Ótima pergunta, e o assunto é bastante difícil de pensar. Além disso, antes do aparecimento de Einstein, nossa compreensão do universo era muito diferente da atual. Voltemos ao passado distante do Universo, quando ainda não tínhamos o conceito de espaço-tempo, e seguiremos em frente até hoje.
Em todas as escalas, da macroscópica à subatômica, os tamanhos das partículas fundamentais desempenham um papel pequeno na determinação dos tamanhos finais das estruturas compostas. Ainda não se sabe se esses blocos de construção da matéria são partículas pontuais verdadeiramente fundamentais. No entanto, entendemos a estrutura do Universo desde escalas gigantescas e cósmicas até escalas minúsculas e subatômicas. Por exemplo, o corpo humano contém cerca de 1028 átomos.
Em um nível fundamental, há muito suspeitamos que, se você pegar qualquer objeto no Universo e começar a dividi-lo em partes cada vez menores, poderá eventualmente alcançar algo indivisível. A palavra “átomo” significa literalmente “indivisível”, do grego ἄτομος. A primeira menção a essa ideia ocorre há 2.400 anos, em Demócrito... No entanto, é provável que a ideia pudesse ter sido inventada antes. Essas entidades indivisíveis realmente existem - são conhecidas como partículas quânticas. Apesar de termos chamado os elementos da tabela periódica de átomos, as partículas subatômicas - quarks, glúons e elétrons (assim como aquelas partículas que não ocorrem nos átomos) são verdadeiramente indivisíveis.
Todos esses quanta se unem e formam todas as estruturas constituintes do Universo que conhecemos hoje - de prótons e átomos a moléculas e pessoas. E todos esses quanta, independentemente de seu tipo - matéria ou antimatéria, tenham massa ou não, fundamental ou composto, subatômico ou cósmico - existem dentro da estrutura do mesmo Universo que nós.
Se você conhece todas as regras que governam o movimento de um objeto no espaço-tempo, bem como as condições iniciais e todas as forças que atuam entre o objeto e o resto do sistema, pode prever como ele se moverá no espaço e no tempo. Mas a localização de um objeto não pode ser especificada com precisão sem adicionar um local temporal às coordenadas espaciais.
E isso é importante, porque se você deseja que todas as coisas no Universo façam algo umas com as outras - interagir, conectar, formar estruturas, transferir energia - você precisa ter uma maneira de fazer isso. Imagine uma peça em que todos os personagens são escritos, os atores estão prontos para representá-los, os figurinos são preparados, todas as falas são escritas e aprendidas. A única coisa que falta é uma coisa muito importante - a cena.
Qual é o papel da cena na física?
Antes do aparecimento de Einstein, o palco foi montado por Newton. Todos os "atores" do Universo podem ser descritos por um conjunto de coordenadas - uma localização no espaço tridimensional e um momento no tempo. Era como uma grade cartesiana - uma estrutura tridimensional com os eixos x, y e z, onde cada objeto pode ter um impulso que descreve como ele se move no espaço em função do tempo. O próprio tempo era considerado linear, funcionando a uma velocidade constante. Na visão de Newton, espaço e tempo eram absolutos.
Freqüentemente pensamos no espaço como uma rede tridimensional, embora esta seja uma simplificação excessiva que depende do quadro de referência. Na verdade, o espaço-tempo é curvo na presença de matéria e energia, e as distâncias nele não são fixas, mas mudam com a expansão ou contração do universo.
No entanto, a descoberta da radioatividade no final do século 19 lançou uma sombra de dúvida sobre a imagem do mundo de Newton. Aprendendo que os átomos podem emitir partículas subatômicas que se movem na velocidade da luz, percebemos algo incrível: quando uma partícula se move a uma velocidade próxima à da luz, ela percebe o espaço e o tempo de uma forma completamente diferente de um objeto se movendo lentamente ou em resto.
Partículas instáveis, que se decompõem muito rapidamente em repouso, viviam quanto mais tempo, quanto mais próxima sua velocidade estava da velocidade da luz. Essas partículas viajaram distâncias maiores do que deveriam, com base em sua velocidade e vida útil. E ao tentar calcular a energia ou momento de uma partícula em movimento, diferentes observadores (movendo-se em velocidades diferentes em relação a ela) receberam valores não coincidentes.
Acontece que algo estava errado com o conceito de espaço-tempo de Newton. Em velocidades próximas à velocidade da luz, o tempo se alonga, as distâncias se contraem e a energia e o momento dependem do quadro de referência. Ou seja, sua percepção do universo depende de como você se move.
Um relógio de luz, no qual um próton é refletido de dois espelhos, pode contar o tempo para qualquer observador. E embora os dois observadores possam discordar sobre quanto tempo se passou entre os dois momentos, eles podem concordar sobre as leis da física e as constantes do universo, em particular a velocidade da luz. Para um observador parado, o tempo passa normalmente, e para uma pessoa que se move rapidamente, o relógio vai mais devagar do que para uma pessoa parada.
Einstein é responsável por um avanço notável no conceito de realidade, que descreveu quais quantidades não mudam com o movimento do observador e quais dependem do quadro de referência. Por exemplo, a velocidade da luz é a mesma para todos os observadores, assim como a massa restante de qualquer quantidade de matéria. Mas a distância entre dois pontos depende muito do seu movimento ao longo da linha que os conecta. A velocidade com que o relógio está funcionando também depende do seu movimento.
O espaço e o tempo revelaram-se não absolutos, como pensava Newton, e foram percebidos por diferentes observadores de maneiras diferentes. Eles acabaram sendo relativos, razão pela qual a teoria é chamada de "teoria da relatividade". Além disso, existe uma conexão definitiva entre a percepção do espaço e do tempo por um determinado observador. Alguns anos após a publicação de Einstein da teoria da relatividade especial (STR), ela foi derivada por seu ex-professor Hermann Minkowski. Ele deduziu uma única estrutura matemática que inclui espaço e tempo: espaço-tempo. Como ele mesmo escreveu:
De agora em diante, o próprio tempo e o espaço em si tornam-se uma ficção vazia, e apenas sua unidade retém uma chance de realidade.
Hoje, este espaço-tempo ainda é amplamente utilizado, se a gravidade pode ser negligenciada: Espaço Minkowski .
Um cone de luz, uma superfície tridimensional composta de todos os raios de luz possíveis indo e vindo de um ponto no espaço-tempo. Quanto mais você passa no espaço, menos você passa no tempo e vice-versa. Hoje, você só pode ser influenciado pelo que estava no cone de luz do passado. No futuro, você só será capaz de perceber as coisas que estão contidas em seu futuro cone de luz. Esta é uma ilustração de um espaço de Minkowski plano, não um espaço de relatividade geral curvo.
Mas existe gravidade no universo real. Essa força não atua instantaneamente nas vastas extensões do espaço. Ele se propaga na mesma velocidade que todos os quanta sem massa: na velocidade da luz. Todas as regras formuladas no SRT continuam aplicáveis, mas para incluir a gravidade na imagem, algo mais era necessário: a ideia da presença do espaço-tempo de sua própria curvatura, dependendo da presença de matéria e energia nele.
De certa forma, é simples: se você colocar atores no palco, o palco deve ser capaz de suportar o peso deles. Se os atores forem enormes e a cena não for perfeitamente áspera, ela se deformará em sua presença.
O mesmo fenômeno funciona com o espaço-tempo: a presença de matéria e energia o curva, e essa curvatura afeta a distância (espaço) e a velocidade do relógio (tempo). Além disso, essa influência acaba sendo bastante complexa. Se calcularmos a influência da matéria e da energia no espaço-tempo, os efeitos espaciais e temporais estão relacionados. As linhas da rede tridimensional, que representamos em SRT, são curvas em GRT.
O aparecimento de massa em uma rede tridimensional vazia faz com que suas linhas se dobrem de uma certa maneira. Eles parecem estar esticados em direção à massa.
O espaço-tempo pode ser considerado uma ferramenta puramente computacional e pare por aí. Em matemática, até mesmo o espaço-tempo pode ser descrito com um tensor métrico. Este formalismo permite calcular, como qualquer campo, linha, arco, distância, etc. pode existir nele de uma maneira determinada e precisamente descrita. O espaço pode ser plano ou curvo arbitrariamente, finito ou infinito, aberto ou fechado e consistir em qualquer número de dimensões. Na relatividade geral, o tensor métrico é quadridimensional (com três dimensões espaciais e uma de tempo), e a curvatura do espaço-tempo é determinada pela matéria, energia e suas tensões internas.
Simplificando, a curvatura do espaço-tempo é determinada pelo conteúdo do universo. E então você pode pegar a curvatura do espaço-tempo e prever como qualquer pedaço de matéria e energia se moverá e mudará com o tempo. As regras da relatividade geral nos permitem prever como a matéria, a luz, a antimatéria, os neutrinos e até as ondas gravitacionais se moverão pelo universo. Todas essas previsões estão em perfeita concordância com nossas observações e medições.
O sinal do evento GW190521 associado ao aparecimento de ondas gravitacionais, registrado por três detectores. A duração do sinal foi de cerca de 13 ms, mas representa a energia equivalente à conversão de 8 massas solares em energia pura por meio da equação de Einstein E = mc 2 .
O que não medimos é o próprio espaço-tempo. Podemos medir distâncias e intervalos de tempo - mas todos esses são sensores indiretos do espaço-tempo subjacente. Podemos medir tudo o que interage conosco - corpos, instrumentos, detectores - porém, a interação ocorre apenas quando existem dois objetos no mesmo ponto no espaço-tempo, quando um "evento" é registrado quando eles se encontram.
Podemos medir todos os efeitos que o espaço-tempo curvo tem sobre a matéria e a energia do universo, a saber:
- Redshift da radiação gerado pela expansão do Universo;
- Flexão de luz devido à presença de massas em primeiro plano;
- Captura de referenciais inerciais na presença de um corpo giratório;
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E também muitas outras influências. No entanto, do fato de que só podemos medir o efeito do espaço-tempo sobre a matéria e a energia do Universo, mas não o espaço-tempo em si, segue-se que o espaço-tempo se comporta de uma maneira indistinguível de uma ferramenta de cálculo simples.
A gravidade quântica tenta combinar a relatividade geral de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas para a gravidade clássica são indicadas na forma de diagramas de loop, como o mostrado na figura em branco. Se o modelo padrão for expandido para incluir a gravidade, a simetria que descreve o CPT (simetria de Lorentz) só pode se tornar aproximada e suas violações podem aparecer. No entanto, até agora nenhuma dessas violações foi observada em experimentos.
Mas isso não significa que o espaço-tempo não seja uma entidade física real. Ao observar os atores encenando uma peça, você tem o direito de chamar o lugar para onde a peça se desenrola de "palco", seja um campo, uma plataforma, um terreno descoberto, etc. Mesmo se a peça fosse realizada na ausência de peso do espaço, você poderia simplesmente notar que um quadro de referência em queda livre é usado como uma cena.
No Universo físico, até onde sabemos, a existência de objetos e a interação entre eles é impossível sem o espaço-tempo. Onde há espaço-tempo, as leis da física funcionam e há campos quânticos fundamentais que estão por trás de tudo. Em certo sentido, "nada" é um vácuo de espaço-tempo vazio, e falar sobre o que acontece na ausência de espaço-tempo não faz sentido - pelo menos do ponto de vista da física. Não faz sentido falar sobre “onde”, que está fora dos limites do espaço, e “quando”, que está além dos limites do tempo. Talvez exista algo assim, mas não temos conceitos físicos dessa entidade.
Animação da interação do espaço-tempo com a massa em movimento. Dá para ver que o espaço-tempo não é apenas uma espécie de tecido. Todo o espaço tridimensional é curvo na presença de massa e energia. Várias massas girando em torno umas das outras geram ondas gravitacionais.
O mais interessante é que ainda temos muitas perguntas sem resposta sobre a natureza do espaço-tempo. O espaço e o tempo são quânticos e discretos, divididos em regiões invisíveis, ou são contínuos? A gravidade é uma interação quântica, como todas as outras forças conhecidas, ou é uma teia clássica e contínua que se estende até as escalas de Planck? Se o espaço-tempo difere do que a relatividade geral nos diz, então como exatamente e como podemos detectá-lo?
Mas, apesar de tudo que o espaço-tempo nos permite prever e saber, não é a mesma entidade real que o átomo. É impossível de alguma forma "detectar" diretamente o espaço-tempo - você só pode detectar quanta individuais de matéria e energia existentes em seu espaço-tempo. Descrevemos o espaço-tempo na forma da relatividade geral de Einstein, que prevê e explica com sucesso todos os fenômenos físicos que já descobrimos e medimos. No entanto, a questão do que é, e se é real ou não, permanece em aberto para a ciência moderna.