Por que a gravidade não é uma força que puxa?

2 semanas ago
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A gravidade é uma das quatro forças fundamentais que constituem o Universo. Tenho certeza de que todos estão familiarizados com a fábula sobre o acidente menor que levou Newton à descoberta dramática da gravidade. Enquanto descansava debaixo de uma árvore, uma maçã caiu sobre sua cabeça, e Newton, que pensava estar pensando nas forças da natureza sob aquela mesma árvore, tinha uma epifania. O que se seguiu foi uma reivindicação absurda; ele concluiu que a mesma força que puxou a maçã para baixo da árvore é o que manteve a Terra em movimento ao redor do Sol.

A fábula contém todos os elementos de uma descoberta científica cintilante – um gênio idiossincrático no trabalho, um treta de chance e uma visão monumental precipitada ao testemunhar o mais mundano dos acontecimentos – uma virtude do pensamento alegórico. A fábula, no entanto, não é inteiramente verdadeira, mas … nem a teoria de Newton.

(Crédito da foto: Flickr)

A visão de Newton vs Einstein sobre a gravidade

Em primeiro lugar, a maçã não caiu na cabeça de Newton. De acordo com seu biógrafo, William Stukeley, Newton testemunhou a queda da maçã à distância, enquanto ele estava com um “clima contemplativo”. Ele ponderou por que a maçã caiu “perpendicularmente” ou direto para o chão, em vez de lado ou de qualquer outra maneira pouco ortodoxa. Ele postulou mais tarde que a força da gravidade entre dois corpos os atraía ou atraíam um para o outro com uma magnitude diretamente proporcional às suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles. A trajetória que os corpos sofrem será a mais curta para minimizar a despesa de energia, portanto, uma linha reta.

Mesmo o próprio Newton não estava particularmente satisfeito com sua teoria. Ele era duvidoso porque imaginava que a força era um empurrão, não uma atração inexplicável. Essa atração da gravidade poderia ser explicada mais detalhadamente ao revelar algo que Newton imediatamente perdeu ou simplesmente poderia ser aceito que a atração “mágica” era uma propriedade essencial da massa. Este último tornou-se o evangelho, reside e obscurece a verdade por 400 anos.

Felizmente, esse dogma foi justamente repudiado por Einstein, um gênio igualmente formidável, quando ele fez uma reivindicação ainda mais absurda e apresentou sua Teoria Geral da Relatividade. Isso exibiu sua imensa coragem, pois um funcionário de patentes estava desafiando Newton, um verdadeiro semideus da física. Ele estava desafiando uma visão que havia sido adorada por 400 anos.

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(Foto Crédito: Public Domain Pictures)

A descoberta de Einstein baseou-se em uma série de experiências de pensamento. Considere um astronauta flutuando no espaço, longe de qualquer fonte de gravidade, e a mesma coisa que o trono livre caia na gravidade de um planeta. A semelhança de ambas as experiências é estranha. O astronauta deve deslizar ou ficar quieto até ser afetado por uma força externa. Se um astronauta cai ou flutua sem qualquer conhecimento de sua localização, digamos, em um elevador fechado, ele não pode distinguir se o elevador está flutuando no espaço profundo ou através de um edifício na Terra. Em ambos os casos, ele é essencialmente sem peso. No entanto, se ele não experimenta nenhuma força, por que um astronauta de queda livre acelera? Na mecânica newtoniana, isso é paradoxal, uma vez que contradiz a segunda lei do movimento de Newton – a magnitude da aceleração é proporcional à força externa aplicada.

Einstein suggested that objects aren’t pulled by massive objects, but rather pushed down by the space above them. According to General Relativity, matter warps the fabric of not only space but time as well, collectively known as the continuum of space-time. The fabric is like a grid of tightly strung rubber bands; when a massive object pushes and stretches them downward, the deformed rubber bands push objects under them. The theory implied that smaller objects weren’t pulled towards massive objects but were traveling on a downward slope, as the space in the latter’s vicinity was warped by its large mass. A free-falling body, therefore, follows the straightest possible path in space-time.

Relativity Light Bending

Einstein desenvolveu essa teoria sob o pressuposto de que as leis da física devem parecer as mesmas para todos os observadores. Isso também é verdade para planetas girando em torno do Sol. Os planetas em órbita seguem o caminho mais curto ao redor do Sol para minimizar a energia. Este caminho é uma elipse, o caminho mais eficiente no poço de gravidade do Sol … mas e a aceleração do astronauta?

As equações geodésicas de Einstein significam que a aceleração é um produto do espaço-tempo curvo. Sua equação explica como a curvatura acelera um objeto caindo. Na ausência de curvatura, o corpo se movia em linha reta com uma velocidade constante, a menos que esse movimento fosse interrompido por uma força externa. No entanto, o aspecto mais interessante da equação é a ausência de massa em sua expressão. A magnitude da aceleração é independente do corpo que cai, assim como o princípio de equivalência exigiria (se você soltar um martelo e uma pena na superfície da lua, eles caíriam ao mesmo tempo).

A gravidade newtoniana é uma falácia?

A gravidade newtoniana não pode explicar a órbita peculiar de Mercúrio, nem a lente gravitacional, a flexão da luz à medida que passa na proximidade de um objeto maciço, como o Sol. O ponto de vista de Newton é totalmente errado? Se sim, então, por que ainda é omnipresente em nossos livros didáticos?

A visão de Newton não está errada. Na verdade, a NASA ainda usa suas leis infames para prever o comportamento dos satélites no espaço. Sua visão permanece extremamente precisa para pequenos corpos e baixas velocidades. A razão pela qual as crianças não são edificadas nos princípios da Relatividade Geral é que os conceitos são extremamente difíceis de compreender. A geometria não é estritamente apropriada para o ensino médio  ou euclidiana,  e a sofisticação da matemática é da ordem mais elevada. O importante a lembrar é que a gravidade não é nem um empurrão nem uma atração; O que interpretamos como uma “força” ou a aceleração devida à gravidade é, na verdade, a curvatura do espaço e do tempo – o próprio caminho se inclina para baixo.

Referências:

  1. Universidade de Cornell
  2. Sciencemag.org – Associação Americana para o Avanço da Ciência
  3. IOP Publishing
Por que a gravidade não é uma força que puxa?
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