Como é que tudo começou?
No final do século XIX, a física encontrava-se em crise: havia
Teoria da relatividade especial
No entanto, nenhum desses físicos eminentesconseguiu juntar toda a história. A esperança permaneceu com o jovem Albert Einstein, que naquela época já começava a abordar o problema de uma nova forma. Aos dezesseis anos, ele se perguntou como seria viajar com um raio de luz? Em 1905, ele havia demonstrado que os resultados de Fitzgerald e Lorentz decorriam de uma suposição simples, mas radical: as leis da física e a velocidade da luz devem ser as mesmas para todos os observadores que se movem uniformemente, independentemente do seu estado de movimento relativo.
Para que isso “funcione”, há mais espaço e temponão pode ser independente. Em vez disso, eles “convertem-se” um no outro de tal forma que a velocidade da luz permanece constante para todos os observadores. É por isso que os objetos em movimento parecem encolher, como teorizaram Fitzgerald e Lorentz, e é por isso que os observadores em movimento podem medir o tempo de forma diferente, como teorizou Poincaré. Espaço e tempo são relativos, ou seja, Ou seja, dependem do movimento do observador que os mede – e a luz é mais fundamental que ambos. Esta é a base da teoria da relatividade especial de Einstein ("especial" refere-se à limitação do movimento uniforme).
Princípio de equivalência
Logo após completar sua teoria especialEinstein teve "o pensamento mais feliz de sua vida". Aconteceu em 1907, quando ele estava sentado em sua cadeira no escritório de patentes de Berna e se perguntava como seria tentar deixar cair uma bola enquanto caía da lateral de um prédio. Einstein percebeu que uma pessoa que acelerasse para baixo com uma bola não seria capaz de detectar o efeito da gravidade sobre ela. O observador pode «transformar» gravidade (pelo menos nas imediações) simplesmente movendo-se para este quadro de referência acelerado - não importa qual objeto seja largado. A gravidade é (localmente) equivalente à aceleração. Este é o princípio da equivalência.
Para entender o quão maravilhoso ele realmente éprincípio da equivalência, imagine o que aconteceria se a gravidade agisse da mesma forma que outras forças. Se a gravidade fosse como a eletricidade, por exemplo, então as bolas com mais carga seriam atraídas com mais força pela Terra e, portanto, cairiam mais rápido do que as bolas com menos carga. Não haveria maneira de transformar tais efeitos movendo-se para o mesmo referencial acelerado para todos os objetos. Mas a gravidade é “cega à matéria” – afecta todos os objectos igualmente. A partir deste facto, Einstein tirou a impressionante conclusão de que a gravidade não depende das propriedades da matéria (como, por exemplo, a electricidade depende da carga eléctrica). Pelo contrário, o fenómeno da gravidade deve originar-se de alguma propriedade do espaço-tempo.
Gravidade como um espaço-tempo curvo
Einstein finalmente determinou a propriedadeespaço-tempo, que é responsável pela gravidade, bem como pela sua curvatura. O espaço e o tempo no universo de Einstein já não são planos (como Newton implicitamente assumiu), mas podem ser puxados, esticados e deformados pela matéria. A gravidade é sentida com mais força onde o espaço-tempo é mais curvo e desaparece onde o espaço-tempo é plano. Esta é a essência da teoria da relatividade geral de Einstein, que muitas vezes pode ser expressa nas palavras: "a matéria diz ao espaço-tempo como se curvar, e o espaço-tempo curvo diz à matéria como se mover".
A maneira padrão de ilustrar essa ideia é -coloque uma bola de boliche (representando, por exemplo, um objeto massivo como o sol) em uma folha de borracha esticada (representando o espaço-tempo). Se você colocar uma bola em uma folha de borracha, ela rolará em direção à bola de boliche e poderá até mesmo ser colocada em "órbita" ao redor dela. Isso não ocorre porque a massa menor é "atraída" pela força que emana da maior, mas porque ela se move ao longo de uma superfície que foi deformada pela presença da massa maior.
Da mesma forma, a gravidade na teoria de Einsteinsurge não como uma força que se propaga no espaço-tempo, mas sim como uma característica do próprio espaço-tempo. Segundo Einstein, seu peso na Terra se deve ao fato de que seu corpo viaja em curvas de espaço-tempo.
Teoria geral da relatividade
Teoria geral da relatividade (relatividade geral; isso.allgemeine Relativitätstheorie) é uma teoria geométrica da gravitação que desenvolve a teoria da relatividade especial (SRT), que postula que as forças gravitacionais e inerciais são da mesma natureza.
Portanto, segue-se que os efeitos gravitacionaissão causados não pela interação de forças de corpos e campos localizados no espaço-tempo, mas pela deformação do próprio espaço-tempo, que está associada, em particular, à presença de massa-energia.
A relatividade geral difere de outras teorias métricas da gravitação ao usar as equações de Einstein para relacionar a curvatura do espaço-tempo com a matéria presente nela
A relatividade geral é baseada fisicamenteno princípio da equivalência, mas essa teoria também tem um segundo fundamento, mais matemático. Conhecido como princípio da covariância geral, é o requisito de que a lei da gravitação universal seja a mesma para todos os observadores, mesmo aqueles em aceleração, independentemente das coordenadas em que é descrita. É por esta razão que Einstein chamou sua nova teoria de teoria da relatividade "geral" e não "especial" - ele removeu a restrição anteriormente existente sobre o movimento uniforme de observadores. Esse acabou sendo o problema mais difícil que Einstein já enfrentou. Como ele disse mais tarde, expressar leis físicas sem coordenadas é como "descrever pensamentos sem palavras". O físico precisava dominar a matemática abstrata das superfícies e sua descrição em termos de tensores.
O que os cientistas descobriram?
A gravidade de um buraco negro é tão forte quecurva o espaço. Funciona como uma espécie de lupa, razão pela qual a sombra deste objeto cósmico parece maior do que realmente é. Os cientistas do Event Horizon Telescope (EHT) estudaram esta distorção visual e descobriram que o tamanho real da sombra do buraco negro M87 corresponde às previsões da teoria da relatividade geral de Einstein.
Conforme afirma Keiichi Asada, membro do conselho científico do EHTe especialista em observações de rádio de buracos negros na Academia Sinica, Instituto de Astronomia e Astrofísica, seu método é “uma maneira completamente nova de testar a relatividade geral usando buracos negros supermassivos”.
Como os cientistas chegaram às suas conclusões?
Quando o primeiro foi publicado em abril de 2019imagem de um buraco negro, tornou-se uma confirmação poderosa da teoria da gravidade de Albert Einstein, ou relatividade geral. A teoria não apenas descreve como a matéria distorce o espaço-tempo, mas também prevê a própria existência de buracos negros, incluindo o tamanho de a sombra projetada pelo buraco negro no material brilhante do disco que gira em torno de alguns objetos densos.
Para realizar o teste, a equipe utilizou o primeiroimagem já capturada do buraco negro supermassivo no centro da galáxia vizinha M87, a uma distância de cerca de 55 milhões de anos-luz, obtida pelo EHT no ano passado.
Imagem icônica de preto supermassivoburaco mostrou que a sombra corresponde totalmente às previsões da relatividade geral quanto ao seu tamanho. Em outras palavras, Einstein estava certo – de novo.
Este resultado, relatado pela Event Horizon Telescope Collaboration, respondeu a uma pergunta: O tamanho do buraco negro do M87 é compatível com a relatividade geral?
Mas “é muito difícil responder o contrárioa questão é: quanto posso ajustar a relatividade geral e ainda corresponder às medidas [do buraco negro]? Esta questão é fundamental porque ainda é possível que alguma outra teoria da gravidade poderia descrever o universo, mas se disfarçou de relatividade geral.
A probabilidade de Einstein estar errado foi reduzida por um fator de 500
Em um estudo publicado em 1º de outubro na Physical Review Letters, Psaltis e colegas usaram a sombra do buraco negro M87 para dar um passo importante para refutar essas teorias alternativas.
A equipe conduziu uma análise muito ampla de muitosmodificações da relatividade geral para definir uma característica única da teoria da gravidade que determina o tamanho da sombra de um buraco negro. Os cientistas se concentraram em uma série de alternativas que passaram em todos os testes anteriores do sistema solar.
“Usando o sensor que desenvolvemos, nósmostraram que o tamanho medido da sombra do buraco negro em M87 reduz a margem de manobra para modificações da teoria geral da relatividade de Einstein em quase 500 vezes em comparação com testes anteriores no sistema solar ", explica Uarizona professor de astrofísica Ferial Ozel, membro sênior do Colaboração EHT. "Muitas maneiras de mudar a relatividade geral falham neste novo e mais difícil teste de sombra em um buraco negro."
Uma visualização de um novo sensor projetado para testar as previsões de teorias modificadas da gravidade em relação a uma medição do tamanho da sombra de M87.
Crédito: D. Psaltis, Universidade do Arizona; EHT
Para ter confiança nos resultados, os cientistasusaram o tamanho de um buraco negro para realizar o que é conhecido como teste de “segunda ordem” da relatividade geral. Isto é “impossível de fazer no sistema solar” porque o campo gravitacional é demasiado fraco, explica Leah Medeiros, do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, também membro do EHT.
Testes de teoria de Einstein
Em geral, agora os físicos apresentam uma teoria geralrelatividade como um conjunto de correções ou acréscimos à teoria da gravidade de Newton. A relatividade geral prediz o que essas superestruturas deveriam ser. Se as medições de como a gravidade funciona no universo se desviarem dessas previsões, os físicos sabem que a relatividade geral não é tudo. Quanto mais acréscimos ou fatores forem adicionados ao teste, maior será a confiança no resultado. Novos testes e verificações de buracos negros não demorarão a chegar.
Simulação do buraco negro M87 mostrandoo movimento do plasma enquanto ele gira em torno do buraco negro. O anel fino e brilhante que pode ser visto em azul é a borda do que chamamos de sombra de um buraco negro. Foto: L. Medeiros; K. Chan; D. Psaltis; F. Osel; UArizona; IAS.
No entanto, se a relatividade geral foi confirmada, por que alguns físicos estão insatisfeitos com os resultados? A questão é que a relatividade geral entra em conflito com a mecânica quântica.
Relatividade versus mecânica quântica: a batalha pelo universo
Os físicos passaram décadas tentando reconciliar duas teorias muito diferentes. E se tudo está claro com a teoria geral da relatividade, então por que a mecânica quântica se recusa a obedecer às leis de Einstein?
Os físicos atualmente têm doisum conjunto de regras que explicam como a natureza funciona. Existe uma teoria geral da relatividade que explica perfeitamente a gravidade e tudo o que ela determina: a rotação dos planetas, a colisão de galáxias, a dinâmica do Universo em expansão como um todo. Esta é a “ciência das grandes coisas”.
E há também a mecânica quântica, que tratacom três outras forças - eletromagnetismo e duas forças nucleares. A teoria quântica é extremamente hábil em descrever o que acontece quando um átomo de urânio decai ou quando partículas individuais de luz entram em uma célula solar. Esta é a “ciência das pequenas coisas”.
Mecânica Quântica - uma seção teóricafísica, descrevendo fenômenos físicos nos quais a ação é comparável em magnitude à constante de Planck. As previsões da mecânica quântica podem diferir significativamente das previsões da mecânica clássica.
O choque de descrições verdadeiramente incompatíveis da realidade
Agora, para o problema:a teoria da relatividade e a mecânica quântica são teorias fundamentalmente diferentes com formulações diferentes. Isso não é apenas uma questão de terminologia científica; é um choque de descrições verdadeiramente incompatíveis da realidade.
O conflito entre as duas metades da física vem fermentando há mais de um século - provocado por algumas obras de Einstein em 1905, uma das quais descreve a teoria da relatividade e a outra, quântica.
Essencialmente, você pode pensar em uma divisão entreteoria da relatividade e sistemas quânticos como “suave” e “curto”. Na relatividade geral, os eventos são contínuos e determinísticos, o que significa que cada causa corresponde a um efeito local específico.
Na mecânica quântica, eventos causados poras interações de partículas subatômicas ocorrem em saltos (sim, saltos quânticos) com resultados probabilísticos em vez de definitivos. As regras quânticas permitem conexões proibidas pela física clássica. Isso foi demonstrado em um experimento amplamente discutido. Então os cientistas demonstraram que duas partículas – neste caso os elétrons – podem influenciar-se instantaneamente, mesmo que estejam a quilômetros de distância. Quando você tenta interpretar leis relativísticas suaves em um estilo quântico sucinto, ou vice-versa, as coisas não acontecem conforme o planejado.
Respostas sem sentido
A relatividade dá respostas sem sentido quandovocê está tentando reduzi-lo a um tamanho quântico, eventualmente caindo para valores infinitos em sua descrição da gravidade. Da mesma forma, a mecânica quântica enfrenta sérios problemas quando você a infla em proporções cósmicas. Os campos quânticos carregam uma certa quantidade de energia mesmo em um espaço aparentemente vazio, e a quantidade de energia aumenta à medida que os campos aumentam. De acordo com Einstein, energia e massa são equivalentes (esta mensagem é E = mc 2), então acumular energia é exatamente como acumular massa. Grande o suficiente, e a quantidade de energia nos campos quânticos se tornará tão grande que criará um buraco negro que força o universo a se dobrar sobre si mesmo. Porém, como você pode ver, isso não acontece.
Simplificando, a mecânica quântica é incompatível com a relatividade geral porque, na teoria quântica de campos, as forças agem localmente por meio da troca de quanta bem definidos.
Qual é o resultado final?
Como resultado, o novo resultado é um pouco decepcionante.físicos que esperam encontrar rachaduras na teoria de Einstein. Encontrar um desvio da relatividade geral pode apontar o caminho para uma nova física. Ou poderia ajudar a combinar a relatividade geral, a física dos muito grandes e a mecânica quântica, a principal teoria que descreve a física de objetos muito pequenos, como partículas subatômicas e átomos. O fato de a relatividade geral ainda se recusar a obedecer “preocupa aqueles de nós que temos idade suficiente para ter esperança de obter uma resposta em nossa vida”, diz Psaltis.
Testar a teoria da gravidade é uma busca constante:As previsões da relatividade geral são boas o suficiente para vários objetos astrofísicos para que os astrofísicos não se preocupem com quaisquer possíveis diferenças ou modificações da relatividade geral?
Ilustração de diferentes intensidades de campos gravitacionais,explorado com testes cosmológicos, testes do sistema solar e buracos negros. Crédito da imagem: D. Psaltis, University of Arizona; NASA / WMAP; ESA / Cassini; EHT
No entanto, observações futuras com o EHT farão ainda maistestes precisos de relatividade geral, especialmente com imagens não publicadas de Sgr A * (Sagittarius A *), um buraco negro no centro da Via Láctea. Com medições muito mais precisas da massa Sgr A * do que qualquer outro buraco negro supermassivo, esta imagem pode mudar a relatividade geral.
Sagitário A *. Esta imagem foi capturada pelo Chandra, o Observatório de Raios-X da NASA. Os ecos de luz são marcados com elipses. Imagem completa - 12,5 minutos de arco (fonte)
“Imagens de buracos negros revelam completamenteum novo ângulo para testar a teoria geral da relatividade de Einstein”, explica Michael Kramer, diretor do Instituto Max Planck de Radioastronomia e membro da colaboração EHT.
“Junto com as observações das ondas gravitacionais, isso marca o início de uma nova era na astrofísica de buracos negros”, tem certeza de Psaltis.
“Quando obtemos a imagem de um buraco negro no centro de nossa própria galáxia, podemos limitar ainda mais os desvios da relatividade geral”, conclui Ozel.
Einstein estará certo então? E qual é o destino da mecânica quântica?
Leia também:
É possível criar um reator termonuclear na Terra. Quais serão as consequências?
A geleira Doomsday revelou-se mais perigosa do que os cientistas pensavam. Nós contamos o principal
No terceiro dia de doença, a maioria dos pacientes com COVID-19 perde o olfato e geralmente sofre de corrimento nasal