Curiosidades

Dilatação do tempo: por que a gravidade diminui o fluxo de tempo?

Na primavera de 1905, um Einstein reticente abordou um bonde a poucos quilômetros de distância da Torre Zytglogge – a suntuosa torre do relógio que domina Berna – no caminho para casa. Einstein, um simples funcionário de patentes, envolveu seu trabalho o mais rápido possível para contemplar as verdades do Universo em seu tempo livre. É o puro gênio de Einstein que enquanto ridiculizamos nossas fantasias como devaneios, referimo-nos reverentemente a ele como  experiências de pensamento  . E uma de suas experiências de pensamento evocou esse mesmo trânsito revolucionou a física moderna.

Kramgasse (pista de mercearia) com a torre do relógio Zytglogge, Berna, Suíça. (Crédito da foto: Daniel Schwen / Wikimedia Commons)

Einstein imaginou o que aconteceria se o bonde fosse viajar à velocidade da luz. Com a grande torre do relógio à sua vista, Einstein percebeu que, se ele viajasse a 186.000 milhas por segundo, as mãos do relógio, que já se moviam tão solenemente, agora parecem congelar completamente. Ao mesmo tempo, Einstein sabia disso, de volta à torre do relógio, as mãos estariam deslizando convencionalmente – o tempo funcionaria normalmente. Para Einstein, no entanto, o tempo desacelerou. Ele concluiu que quanto mais rápido você passar pelo espaço, mais lento você se move no tempo. Como isso foi possível?

Dilema de Einstein

Einstein foi fortemente influenciado pelas obras de dois grandes físicos. Primeiro, havia as leis do movimento descobertas por seu ídolo, Newton, e segundo, as leis do eletromagnetismo estabelecidas por Maxwell. As duas teorias, no entanto, eram contraditórias. Maxwell postulou que a velocidade de uma onda eletromagnética, como a luz, é fixa – uma exorbitante 186 mil milhas por segundo. Ele afirmou que este era um fato fundamental sobre o Universo.

Nada viaja mais rápido do que a velocidade da luz. (Crédito da foto: Pexels)

Considerando que a lei de Newton implicava que as velocidades são sempre relativas. A velocidade de um carro que viaja a 40 mph é de 40 mph em relação a um observador estacionário, mas apenas 20 mph em relação a um carro que viaja adjacente a 20 mph. Ou, 60 mph para o mesmo carro whizzing na direção oposta. Este conceito de velocidade relativa é incompatível com o fato aparentemente fundamental de Maxwell quando aplicado à velocidade da luz. Isso apresentou Einstein com um dilema grave.

A contradição levou Einstein a fazer uma surpresa, mas também uma das reivindicações mais inovadoras da história da física – uma colocação de declarações que, claro, não são surpreendentes. Para entender a contradição e conseqüentemente por que o tempo diminui, considere outro experimento de pensamento engenhoso, um dos melhores da Einstein. Einstein imaginou um homem em uma plataforma de estação, em ambos os lados dos quais dois raios atingem. O homem, parado no meio desses dois pontos, observa os feixes de luz resultantes dos dois lados ao mesmo tempo.

No entanto, as coisas ficam peculiares quando um sujeito em um trem vê essa cena enquanto ele se move além dela à velocidade da luz. De acordo com as leis do movimento, a luz do parafuso mais perto do trem alcançará o homem mais cedo do que a luz do parafuso mais longe do trem. A medida da velocidade da luz feita por ambos os homens será diferente em sua magnitude. Mas como é possível quando recordamos que a velocidade da luz, de acordo com Maxwell, deve ser constante, independentemente do movimento de um observador – um fato chamado “fundamental” do Universo?

Para compensar essa discrepância, Einstein sugeriu que o próprio tempo diminuiu, de modo que a velocidade da luz permaneça constante! O tempo para o homem no trem passou mais lento em relação ao tempo para o homem na plataforma. Einstein chamou esse tempo de dilatação.

Dilatação de tempo gravitacional

Einstein chamou sua teoria de Relatividade Especial. Era especial porque tratava de velocidades constantes. Para reconciliá-lo com o mundo real, onde os objetos aceleraram e desaceleraram o tempo todo, ele precisava investigar as repercussões de sua teoria quando envolvia aceleração. Este esforço para generalizar e explicar todo o fenômeno geral levou-o à descoberta de uma relação entre o tempo ea gravidade; ele chamou essa nova teoria da gravidade da “Relatividade Geral”.

Newton acreditava que o fluxo de tempo era como uma flecha; moveu-se sem soltar em uma única direção – para a frente. Einstein naquele bonde hipotetizou que o tempo variou inversamente com a velocidade. E por sua maleabilidade, mereceu, como espaço, sua própria dimensão. Na verdade, Einstein afirmou que os dois eram um e o mesmo, um tecido flexível de 4 dimensões em que os eventos do Cosmos se desdobraram. Ele o chamou de tecido do espaço-tempo . Quando Einstein publicou seu trabalho, ele recebeu a mesma reação que se esperaria quando um trabalho tão fenomenal seja publicado – a incredulidade.

De acordo com a Relatividade Geral, a matéria se estende e contrai o tecido do espaço-tempo, de modo que os objetos não são atraídos misteriosamente para o centro da Terra, mas sim  empurrados para baixo pelo espaço distorcido acima deles . Emulando uma inclinação, a curvatura do espaço-tempo acelera objetos que se movem para baixo, embora a taxa dessa aceleração não seja a mesma em todos os pontos. A força da gravidade é mais forte para a superfície da Terra, onde a curvatura é mais intensa do que em suas franjas.

Embora tecnicamente incorreto, a analogia do trampolim é a maneira mais simples de explicar a deformação do espaço-tempo devido à presença de uma grande massa.

Se a força da gravidade aumenta à medida que nos movemos para baixo, um objeto de queda livre cai mais rápido em um ponto na superfície, diga B, do que faz em uma altitude maior, digamos A. Para o objeto de queda livre, de acordo com a Relatividade Especial , o tempo em B deve passar relativamente mais lento do que passaria em A, porque a velocidade do objeto é mais rápida em B.

Qual é o tempo?

Qual é a hora certa então? Bem, nenhum deles. Einstein postulou que não há tempo absoluto . O tempo é relativo dependendo do sistema de forças ao qual um está sujeito, formalmente conhecido como um quadro de referência. O tempo que corre em seu próprio quadro é conhecido como o tempo adequado. Se as leis do movimento devem ser iguais para todos os observadores, independentemente do seu movimento, o tempo deve diminuir, de modo que quanto mais rápido você se mover, mais lento o seu relógio corre em  relação a outro relógio . Isto é o que Anne Hathaway mencionou no  Interstellar quando disse a Mathew McConaughey, depois de aterrissar em um planeta distante: “Uma hora neste planeta tem 7 anos na Terra”. 

Qual é o tempo?

Volte para o pensamento de Einstein no bonde. A aparência do relógio mais lento é uma restrição da nossa construção neurológica primitiva, ou o tempo realmentediminui? E o que o tempo está abrandando significa mesmo? A caprichosidade do tempo nos obriga a perguntar – o que é o próprio tempo? Esta não é apenas uma questão que filosofia desagradável undergrads perguntar uns aos outros em festas da Frat. A noção de tempo perplexo filósofos naturais e físicos desde a antiguidade.

A principal função do tempo é manter um cronológico dos eventos. No entanto, até os últimos 400 anos, as pessoas determinaram o tempo sob o pressuposto de que as estrelas se moviam em torno de nós, em vez de a Terra se movendo ao redor deles. Apesar do terreno incorreto para sua inferência, o “tempo” ainda estava bem. Funcionou porque os dias e as épocas são repetidas de forma previsível, e quando você tem algo que se repete previsivelmente, você tem um mecanismo de cronometragem.

Um relógio arcaico. (Créditos: TeePhoto / Shutterstock)

Galileu usou a natureza recursiva de um mecanismo desse tipo para calcular o movimento. Descrever o movimento seria impossível sem qualquer referência ao tempo. No entanto, esse tempo nunca foi absoluto. Mesmo quando Newton formulou as leis do movimento, recrutou uma noção de tempo em que dois relógios não marcam etapas com um tempo absoluto e independente, mas sim  um com o outro . A sincronização é a razão pela qual construímos relógios atômicos altamente sofisticados e precisos.

Essa noção de tempo é estruturada em simultaneidade, simultaneidade ou coincidência crucial de dois eventos, como a chegada de um trem e um alinhamento exclusivo das mãos de um relógio, quando o trem chega. A teoria de Einstein afirma que essas coincidências devem ser influenciadas pela forma como se move. Se os dois observadores na plataforma e no trem não conseguem concordar sobre o que é simultâneo, eles não podem concordar sobre como o tempo em si flui!

Para entender a influência do movimento sobre a previsibilidade, consideremos o mecanismo de cronograma mais simples. Imagine um aparelho de cronometragem composto por um fóton que reflete de um lado para o outro entre dois espelhos finamente distanciados. Vamos concordar que um segundo passa cada vez que o fóton reflete. Agora, coloque dois desses relógios nos pontos A e B acima e na superfície da Terra (discutidos na seção anterior) e deixe-os medir o tempo certo quando o objeto de queda livre for passado por eles. O objeto de queda livre mede o tempo que passa em seu próprio quadro de referência com um relógio semelhante. O que eles medem?

Observar o reflexo de um fóton entre dois espelhos moventes é análogo a observar uma bola de tênis saltando em um trem em movimento. Mesmo que a bola salte perpendicularmente para alguém no trem, para um observador estacionário fora dela, a bola salta em triângulos .

À medida que o aparelho avança, o fóton, depois de liberado pela primeira vez, como a bola, parece percorrer uma distância maior depois de refletida. Nossa medida de tempo, portanto, distorcida! Além disso, quanto mais rápido o aparelho se move, mais longo o fóton leva para refletir, estendendo assim a duração de um segundo! É por isso que o fluxo de tempo no ponto B acaba por ser mais lento do que no ponto A (lembre-se de como, devido à gravidade, o objeto cai mais rápido no ponto B do que o ponto A). Este gráfico programável limina o movimento triangular do fóton e conseqüentemente o atraso no fluxo de tempo brilhantemente.

Claro, a diferença é infinitesimal. A diferença entre o tempo medido pelos relógios no topo das montanhas e na superfície da Terra é nanosegundo. Ainda assim, a descoberta de Einstein é nada menos que inovadora. A gravidade realmente impede o fluxo de tempo, o que implica que quanto mais maciço o objeto, o tempo mais lento passa em sua vizinhança.

Dito isto, a seleção de relógios leves para provar isso parece conveniente, já que todo o artigo fala sobre a desaceleração da luz. No entanto, a dilatação do tempo afeta todos os relógios, independentemente de se basear no fenômeno eletromagnético mais simples ou uma combinação complexa de eletromagnetismo e as leis do movimento de Newton. A universalidade da Relatividade Geral assegura isso. Na verdade, mesmo os processos biológicos e, conseqüentemente, o tempo, estão dilatados. Sim … sua cabeça é um pouco mais velha do que seus pés!

Referências:

  1. Universidade Global da Austrália
  2. Universidade de Toronto
  3. Wikipedia
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Gilvan Alves

25 Anos de idade, Técnico em Rede de Computadores, Sempre em busca de aprender algo novo todos os Dias!

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