Seis fatos bem pesados sobre a gravidade

Baseado em artigo de Matthew R. Francis - SLAC - 03/06/2016

A gravidade está por todo lado, mas não entendemos tudo sobre ela.
[Imagem: Sandbox Studio/Ana Kova]

Fatos sobre a gravidade

A gravidade determina a estrutura do Universo, governando o movimento dos planetas em torno das estrelas, mantendo as galáxias coesas e tudo o mais.

Mas não pense que sabemos tudo sobre a gravidade. Por exemplo, não sabemos a forma exata como ela se encaixa com as outras forças fundamentais - apenas reconhecemos que a gravidade é uma das quatro forças fundamentais da natureza, juntamente com o eletromagnetismo, a força fraca e a força forte.

Por outro lado, quando queremos explicar os fenômenos, nós desenvolvemos teorias. E a teoria da gravidade moderna - essencialmente a Teoria Geral da Relatividade de Einstein - é uma das teorias mais bem-sucedidas que temos.

Assim, para começar a procurar pelo que ainda não sabemos, é bom fazer um resumo do que já sabemos - ou acreditamos saber - sobre a gravidade.

Uma forma de medir essa força nos diria se a força da gravidade é constante ou não.
[Imagem: Sandbox Studio/Ana Kova]

1. A gravidade é de longe a força mais fraca que conhecemos

A gravidade apenas atrai - não há nenhuma versão negativa da força para separar as coisas. E, embora a gravidade seja forte o suficiente para manter as galáxias coesas, ela é tão fraca que cada um de nós a vence o tempo todo. Quando você pega um livro, por exemplo, você está derrotando a força da gravidade de toda a Terra.

Para comparação, a força elétrica entre um elétron e um próton dentro de um átomo é aproximadamente um quintilhão (um 1 com 30 zeros depois dele) de vezes mais forte do que a atração gravitacional entre eles. Na verdade, a gravidade é tão fraca que... não sabemos exatamente o quão fraca ela é.

Já há propostas sérias para se construir um aparelho para produzir e controlar a gravidade, o que levaria à falência todos os fabricantes de pneus, foguetes e etc.
[Imagem: Sandbox Studio/Ana Kova]

2. Gravidade e peso não são a mesma coisa

Os astronautas flutuam dentro da Estação Espacial, e comumente se chama isso de "gravidade zero". Mas isso não é verdade. A força da gravidade sobre um astronauta é de cerca de 90% da força que ele experimenta quando está no solo. No entanto, os astronautas não têm peso, já que o peso é a força que o solo (ou uma cadeira, ou uma cama ou qualquer outra coisa) exerce de volta sobre ele aqui embaixo.

Pegue uma balança e fique sobre ela em um elevador enquanto desce e sobe - tente ignorar qualquer olhar de estranheza que você perceba. Seu peso irá oscilar, e você sentirá o elevador acelerando e desacelerando; no entanto, a força gravitacional será sempre a mesma.

Em órbita, por outro lado, os astronautas se movem junto com a Estação Espacial. Não há nada para empurrá-los contra a lateral da nave para fazer peso. Einstein transformou esta ideia, junto com sua Teoria da Relatividade Especial, na Relatividade Geral.

Aqui há controvérsias: alguns físicos sugerem que a velocidade da gravidade pode ser maior que velocidade da luz.
[Imagem: Sandbox Studio/Ana Kova]

3. A gravidade forma ondas que se movem à velocidade da luz

A Relatividade Geral prevê as ondas gravitacionais. Se você tiver duas estrelas - ou duas anãs brancas ou dois buracos negros - travados em uma órbita mútua, eles lentamente se aproximarão, à medida que as ondas gravitacionais retiram energia do sistema duplo. Na verdade, a Terra também emite ondas gravitacionais conforme orbita o Sol, mas a perda de energia é muito pequena para conseguirmos notar ou medir.

Havia indícios indiretos das ondas gravitacionais há 40 anos, mas o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferometria a Laser (LIGO) só confirmou o fenômeno neste ano. Os detectores captaram uma explosão de ondas gravitacionais, inicialmente pensadas como tendo se originado da colisão de dois buracos negros, mas o assunto ainda está em discussão entre os astrofísicos.

Uma consequência da Relatividade é que nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz no vácuo. Segundo a teoria, isso vale para a gravidade, também: se algo drástico acontecer com o Sol, o efeito gravitacional chegaria até nós ao mesmo tempo que a luz do evento.

Algumas teorias usam a gravidade para explicar a fronteira entre os mundos clássico e quântico, com seus comportamentos radicalmente diferentes.
[Imagem: Sandbox Studio/Ana Kova]

4. Comportamento microscópico da gravidade colocou físicos em loop

As outras três forças fundamentais da natureza (eletromagnetismo, força fraca e força forte) são descritas por teorias quânticas na menor das escalas. No entanto, nós ainda não temos uma teoria quântica totalmente funcional da gravidade.

Uma das linhas de pesquisa é chamada de Gravidade Quântica em Circuito Fechado (Loop Quantum Gravity), que utiliza técnicas da física quântica para descrever a estrutura do espaço-tempo. Ela propõe que o espaço-tempo, nas escalas mais ínfimas, é formado por partículas, da mesma forma que a matéria é formada por partículas. A matéria seria restrita a saltar de um ponto para outro sobre uma estrutura flexível, parecida com uma rede. Isso permite que a gravidade quântica em loop descreva o efeito da gravidade em uma escala muito menor do que o núcleo de um átomo.

Uma abordagem mais famosa é a Teoria das Cordas, segundo a qual as partículas - incluindo os grávitons - são consideradas vibrações de cordas que são enroladas em dimensões pequenas demais para serem medidas por qualquer experimento ou instrumento conhecido.

Contudo, nem a gravidade quântica em loop, nem a Teoria das Cordas, e nem qualquer outra teoria, atualmente é capaz de fornecer detalhes testáveis sobre o comportamento microscópico da gravidade.

Uma teoria chamada Gráviton Nexus poderia explicar a energia e a matéria escuras, de quebra se livrando das singularidades dos buracos negros.
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5. Gravidade pode ser transportada por partículas sem massa chamadas grávitons

Estamos falando sobre o que "sabemos" sobre a gravidade, mas nunca é demais ressaltar o "pode".

No Modelo Padrão, as partículas interagem umas com as outras através de outras partículas portadoras de força. Por exemplo, o fóton é o portador da força eletromagnética.

As partículas hipotéticas para a gravidade quântica podem ser os grávitons, e há algumas ideias de como eles devem operar a partir da Relatividade Geral.

Como os fótons, os grávitons provavelmente não têm massa. Se eles tivessem massa, os experimentos deveriam ter captado alguma coisa, mas isto não descarta uma massa ridiculamente pequena para não afetar os aparelhos.

Há alguns caminhos matemáticos que nos levam das partículas até o Universo inteiro - e eles representam uma possibilidade de se encontrar uma compatibilidade entre a Mecânica Quântica e a Relatividade Geral.
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6. Gravidade quântica aparece no menor comprimento possível

A gravidade é muito fraca; mas, quanto mais próximos dois objetos estão, mais forte ela se torna. Em última análise, ela atinge a força das outras forças a uma distância muito pequena conhecida como "comprimento de Planck", muitas vezes menor do que o núcleo de um átomo.

É aí que os efeitos da gravidade quântica serão fortes o suficiente para serem medidos, mas é tudo pequeno demais para qualquer experimento imaginável hoje. Alguns físicos têm proposto teorias que permitem que a gravidade quântica se revele perto da escala dos milímetros, mas até agora esses efeitos não foram detectados. Outros físicos têm olhado para formas criativas para amplificar os efeitos da gravidade quântica, usando vibrações em uma grande barra de metal ou coleções de átomos mantidos a temperaturas ultrafrias, mas também ainda sem sucesso.

Ou seja, parece que, desde a menor escala até a maior, a gravidade continua a atrair a atenção dos cientistas. Talvez isso sirva de consolo na próxima vez que você levar um tombo, quando a gravidade também vai atrair não apenas sua atenção, mas você inteiro, de uma maneira chocante.

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