Gravidade
Na física, gravidade (lat: gravitas, «peso»)? é uma interação fundamental que causa atração mútua entre todas as coisas que têm massa. É, de longe, a mais fraca das quatro interações fundamentais, aproximadamente 1038 vezes mais fraca que a interação forte, 1036 vezes mais fraca que a força eletromagnética e 1029 vezes mais fraca que a interação fraca. Como resultado, não tem influência significativa ao nível das partículas subatómicas. No entanto, a gravidade é a interação mais significativa entre objetos em escala macroscópica e determina o movimento dos planetas, estrelas, galáxias e até mesmo da luz.
A gravitação, também conhecida como atração gravitacional, é a atração mútua entre todas as massas do universo, enquanto a gravidade é a atração gravitacional na superfície de um planeta ou outro corpo celeste; "gravidade" também pode incluir, além da gravitação, a força centrífuga resultante da rotação do planeta.
Mundo antigo
A natureza e o mecanismo da gravidade foram explorados por uma ampla gama de estudiosos da Antiguidade. Na Grécia Antiga, Aristóteles acreditava que os objetos caíam em direção à Terra porque a Terra era o centro do universo e atraía toda a massa do universo para ela. Ele também pensava que a velocidade de um objeto em queda deveria aumentar com o seu peso, uma conclusão que mais tarde se mostrou falsa. Embora a visão de Aristóteles fosse amplamente aceita em toda a Grécia Antiga, houve outros pensadores, como Plutarco, que previram corretamente que a atração da gravidade não era exclusiva da Terra. Embora não entendesse a gravidade como uma força, o antigo filósofo grego Arquimedes descobriu o centro de gravidade de um triângulo. Ele postulou que se dois pesos iguais não tivessem o mesmo centro de gravidade, o centro de gravidade dos dois pesos juntos estaria no meio da linha que une seus centros de gravidade. Dois séculos mais tarde, o engenheiro e arquiteto romano Vitrúvio afirmou e sua obra De Architectura que a gravidade não depende do peso de uma substância, mas sim da sua "natureza". No século VI, o estudioso alexandrino bizantino João Filopono propôs a teoria do ímpeto, que modifica a teoria de Aristóteles de que "a continuação do movimento depende da ação contínua de uma força", incorporando uma força causativa que diminui com o tempo.
Revolução científica
Em meados do século XVI, vários cientistas europeus refutaram experimentalmente a noção aristotélica de que objetos mais pesados caem mais rapidamente. Em particular, o padre dominicano espanhol Domingo de Soto escreveu em 1551 que os corpos em queda livre aceleram uniformemente. De Soto pode ter sido influenciado por experiências anteriores conduzidas por outros padres dominicanos na Itália, como Benedetto Varchi, Francesco Beato, Luca Ghini e Giovan Bellaso, que contradiziam os ensinamentos de Aristóteles sobre a queda de corpos. O físico italiano de meados do século XVI, Giambattista Benedetti, publicou artigos afirmando que, devido à gravidade específica, objetos feitos do mesmo material, mas com massas diferentes, cairiam na mesma velocidade. Com o experimento da torre Delft de 1586, o físico flamengo Simon Stevin observou que duas balas de canhão de tamanhos e pesos diferentes caíam na mesma velocidade quando lançadas de uma torre. No final do século XVI, as medições cuidadosas feitas por Galileu Galilei de bolas rolando em declives permitiram-lhe estabelecer firmemente que a aceleração gravitacional é a mesma para todos os objetos.
Teoria da gravitação de Newton
Em 1657, o cientista inglês Robert Hooke publicou sua obra Micrographia, na qual levantava a hipótese de que a Lua deveria ter gravidade própria. Em 1666, ele acrescentou mais dois princípios: que todos os corpos se movem em linha reta até serem desviados por alguma força e que a força atrativa é mais forte para corpos mais próximos. Numa comunicação à Royal Society em 1666, Hooke escreveu Explicarei um sistema do mundo muito diferente de qualquer outro já concebido. Baseia-se nas seguintes posições. 1. Que todos os corpos celestes não apenas gravitam suas partes em direção ao seu próprio centro, mas também se atraem mutuamente dentro de suas esferas de ação. 2. Que todos os corpos que tenham um movimento simples continuarão a se mover em linha reta, a menos que sejam continuamente desviados dela por alguma força estranha, fazendo com que descrevam um círculo, uma elipse ou alguma outra curva. 3. Que esta atração é tanto maior quanto mais próximos os corpos estão. Quanto à proporção em que essas forças diminuem com o aumento da distância, confesso que não a descobri...
Relatividade geral
Os astrônomos notaram uma excentricidade na órbita do planeta Mercúrio que não poderia ser explicada pela teoria de Newton: o periélio da órbita estava aumentando cerca de 42,98 segundos de arco por século. A explicação mais óbvia para esta discrepância era um corpo celeste ainda não descoberto, como um planeta, que orbitaria o Sol ainda mais perto do que Mercúrio, mas todos os esforços para encontrar tal corpo revelaram-se infrutíferos. Em 1915, Albert Einstein desenvolveu uma teoria da relatividade geral que foi capaz de modelar com precisão a órbita do planeta. Na relatividade geral, os efeitos da gravitação são atribuídos à curvatura do espaço-tempo em vez de a uma força. Einstein começou a brincar com essa ideia na forma do princípio da equivalência, uma descoberta que mais tarde descreveu como “o pensamento mais feliz da minha vida”. Nesta teoria, a queda livre é considerada equivalente ao movimento inercial, o que significa que os objetos inerciais em queda livre são acelerados em relação aos observadores não inerciais no solo.
Na física moderna, a relatividade geral continua a ser a estrutura para a compreensão da gravidade. Os físicos continuam a trabalhar para encontrar soluções para as equações de campo de Einstein que formam a base da relatividade geral, enquanto alguns cientistas especulam que a relatividade geral pode não ser aplicável em certos cenários.
Equações de campo de Einstein
As equações de campo de Einstein são um sistema de 10 equações diferenciais parciais que descrevem como a matéria afeta a curvatura do espaço-tempo. O sistema é frequentemente expresso na forma G μ ν + Λ g μ ν = κ T μ ν , {\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }=\kappa T_{\mu \nu },} onde G μ ν {\displaystyle G_{\mu \nu }} é o tensor de Einstein, g μ ν {\displaystyle g_{\mu \nu }} é o tensor métrico, T μ ν {\displaystyle T_{\mu \nu }} é o tensor tensão-energia, Λ é a constante cosmológica, G {\displaystyle G} é a constante newtoniana de gravitação e c {\displaystyle c} é a velocidade da luz . A constante κ = 8 π G c 4 {\displaystyle \kappa ={\frac {8\pi G}{c^{4}}}} é chamada de constante gravitacional de Einstein.
Gravidade e mecânica quântica
Apesar do seu sucesso na previsão dos efeitos da gravidade em grandes escalas, a relatividade geral é, em última análise, incompatível com a mecânica quântica. Isto ocorre porque a relatividade geral descreve a gravidade como uma distorção suave e contínua do espaço-tempo, enquanto a mecânica quântica sustenta que todas as forças surgem da troca de partículas discretas conhecidas como quanta. Esta contradição é especialmente incômoda para os físicos porque as outras três forças fundamentais (força forte, força fraca e eletromagnetismo) foram reconciliadas com uma estrutura quântica há décadas. Como resultado, os pesquisadores modernos começaram a procurar uma teoria que pudesse unir a gravidade e a mecânica quântica sob uma estrutura mais geral.
Testes de relatividade geral
Testar as previsões da relatividade geral tem sido historicamente difícil, porque são quase idênticas às previsões da gravidade newtoniana para pequenas energias e massas. Ainda assim, desde o seu desenvolvimento, uma série contínua de resultados experimentais forneceu suporte para a teoria:
Gravidade da Terra
Cada corpo planetário (incluindo a Terra) está rodeado pelo seu próprio campo gravitacional, que pode ser conceituado pela física newtoniana como exercendo uma força atrativa sobre todos os objetos. Assumindo um planeta esfericamente simétrico, a força deste campo em qualquer ponto acima da superfície é proporcional à massa do corpo planetário e inversamente proporcional ao quadrado da distância do centro do corpo. A força do campo gravitacional é numericamente igual à aceleração dos objetos sob sua influência. A taxa de aceleração da queda de objetos próximos à superfície da Terra varia muito ligeiramente dependendo da latitude, das características da superfície, como montanhas e cordilheiras e, talvez, das densidades subterrâneas incomumente altas ou baixas.
Origem
A gravidade mais antiga (possivelmente na forma de gravidade quântica, supergravidade ou singularidade gravitacional), juntamente com o espaço e o tempo comuns, desenvolveu-se durante a Era de Planck (até 10-43 segundos após o nascimento do universo), possivelmente a partir de um estado primitivo (como um vácuo falso, vácuo quântico ou partícula virtual), de uma maneira atualmente desconhecida.
Radiação gravitacional
A relatividade geral prevê que a energia pode ser transportada para fora de um sistema através da radiação gravitacional. A primeira evidência indireta da radiação gravitacional foi registrada através de medições do binário Hulse-Taylor em 1973. Este sistema consiste em um pulsar e uma estrela de nêutrons em órbita um ao redor do outro. O seu período orbital diminuiu desde a sua descoberta inicial devido a uma perda de energia, o que é consistente com a quantidade de perda de energia devido à radiação gravitacional. Esta pesquisa recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1993. A primeira evidência direta de radiação gravitacional foi medida em 14 de setembro de 2015 pelos detectores LIGO. Foram medidas as ondas gravitacionais emitidas durante a colisão de dois buracos negros a 1,3 bilhão de anos-luz da Terra. Esta observação confirma as previsões teóricas de Einstein e de outros de que tais ondas existem. Também abre caminho para a observação prática e a compreensão da natureza da gravidade e dos eventos no universo, incluindo o Big Bang. A formação de estrelas de nêutrons e buracos negros também cria quantidades detectáveis de radiação gravitacional. Esta pesquisa recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2017.
Velocidade da gravidade
Em dezembro de 2012, uma equipe de pesquisa na China anunciou que tinha produzido medições do desfasamento das marés terrestres durante as fases da lua cheia e nova, que parecem provar que a velocidade da gravidade é igual à velocidade da luz. Isso significa que se o Sol desaparecesse repentinamente, a Terra continuaria orbitando o ponto vago normalmente por 8 minutos, que é o tempo que a luz leva para percorrer essa distância. As descobertas da equipe foram divulgadas no Science Bulletin em fevereiro de 2013. Em outubro de 2017, os detectores LIGO e Virgo receberam sinais de ondas gravitacionais dentro de 2 segundos após satélites de raios gama e telescópios ópticos observarem sinais da mesma direção. Isso confirmou que a velocidade das ondas gravitacionais era igual à velocidade da luz.
Existem algumas observações de fenômenos que não são adequadamente explicados, o que pode apontar para a necessidade de teorias da gravidade melhores ou talvez de outras formas de explicação.
