O que é gravidade? - Médico - 2023

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Vivemos imersos nisso. A gravidade é o fenômeno que explica não só que estamos ancorados na superfície da Terra, mas também que os planetas orbitam em torno de suas estrelas ou que os buracos negros se deformam ao extremo. A gravidade é tudo.

Fenômeno natural pelo qual objetos com massa são atraídos uns pelos outros, dando origem ao que é conhecido como atração gravitacional. Absolutamente todos os corpos geram uma interação gravitacional que, juntos, dá coesão ao Universo. A gravidade é o pilar do Cosmos.

Mas sabemos exatamente o que é? Por mais simples que pareça sua explicação, quando mergulhamos em seus segredos, imediatamente percebemos que ainda há muitas incógnitas a responder sobre a gravidade.

É realmente uma força? Qual é o papel do espaço-tempo? É uma deformação do tecido do espaço-tempo? Por que, de todas as interações, é a mais fraca? Qual é a sua origem quântica? Prepare-se para a sua cabeça explodir, porque hoje vamos fazer uma viagem pela história e entender os mistérios da gravidade.


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Newton, a maçã e a gravidade: a lei da gravitação universal

As maçãs já estavam caindo das árvores antes do nascimento de Newton, mas ninguém nunca se perguntou por que. E seja ou não uma lenda, a história de como este físico, matemático, filósofo, teólogo, alquimista e inventor inglês descobriu (não a inventou, como alguns dizem) a gravidade é uma metáfora fantástica para o início de um dos mais objetivos ambiciosos da história da ciência.

Janeiro de 1643. Isaac Newton nasceu em Woolsthorpe, condado de Lincolnshire, Inglaterra, em uma família de camponeses. Com a idade de dezoito anos, ele conseguiu entrar no prestigioso Trinity College da Universidade de Cambridge para treinar em matemática e filosofia.

Após a formatura, ele logo se tornou membro da Royal Society, começando a investigar as trajetórias dos corpos celestes no espaço. E foi nesse momento que uma dúvida começou a assombrá-lo: Qual foi a força que manteve os planetas em suas órbitas? Suas investigações e abordagens matemáticas despertaram o fascínio de alguns membros da sociedade científica e a crítica de outros.


E já na casa dos 40, em decorrência ou não da história da maçã caindo da árvore, que Newton introduziu o conceito de gravidade, que definiu como uma força atrativa gerada por todos os objetos com massa, e introduziu a lei da gravitação universal, um princípio físico que, por meio de uma famosa fórmula matemática, descreve a interação gravitacional entre os corpos.

Com Newton aprendemos que todos os corpos com massa geram gravidade. Na verdade, você mesmo, mas pelo simples fato de ter massa, você gera um campo gravitacional. O que acontece é que, com nossos poucos quilos de peso, a gravidade que geramos é desprezível, especialmente se comparada ao campo gravitacional da Terra.

Nesse sentido, a gravidade, que é simplesmente a atração que existe entre dois corpos com massa, torna-se perceptível com objetos massivos. Como a Terra, que com seus 6 quatrilhões de kg de massa gera gravidade suficiente não só para nos manter ancorados em sua superfície, mas para manter a Lua, apesar de estar a 384.400 km de distância, em órbita constante.


E quanto maior a massa, maior a atração gravitacional é gerada. É por isso que o Sol gera uma gravidade maior do que a Terra. A força gravitacional é determinada tanto pela massa dos dois corpos (e sua densidade, daí isso é levado ao extremo na singularidade de um buraco negro) quanto pela distância entre eles.

Muito bem. Sabíamos que a gravidade era um fenômeno de atração intrínseco aos corpos com massa. Mas de onde veio isso? O que foi que fez os corpos gerarem essa atração gravitacional? Newton não conseguiu responder a isso. Mas Albert Einstein, muitos anos depois, sim.

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Relatividade geral de Einstein: gravidade e espaço-tempo

Entre 1915 e 1916, o famoso físico alemão Albert Einstein publicou a teoria Através do qual pudemos entender, como nunca havíamos feito antes, a natureza do Universo e, principalmente, da gravidade. Einstein rompeu com as leis da física clássica e ofereceu ao mundo novas regras do jogo: as da Relatividade Geral.

Desde então, as leis da física relativística permanecem o esteio do mundo desta ciência. A Relatividade Geral é uma teoria do campo gravitacional que explica a natureza elementar da gravidade no nível macroscópico. E na próxima seção vamos parar neste esclarecimento “macroscópico”.

As leis de Newton faziam pensar na gravidade como uma força transmitida instantaneamente. Einstein revolucionou completamente este arcabouço teórico, uma vez que Sua teoria relativística não apenas nos diz que a gravidade não é uma força, mas que não é transmitida instantaneamente. A gravidade se espalha a uma velocidade limitada, o que não poderia acontecer de outra forma, pela velocidade da luz: 300.000 km / s.

Einstein afirmou que não vivemos, como acreditávamos, em um Universo tridimensional, mas em um quadridimensional em que as três dimensões do espaço e do tempo (a Relatividade Geral afirma que o tempo é algo relativo que pode se expandir ou se contrair) formam um único todo: a estrutura do espaço-tempo.

E esse tecido espaço-tempo pode ser deformado por corpos com massa. Os corpos que nos encontramos nesta malha espaço-temporal deformam o tecido, com uma deformação que explica a existência elementar da gravidade. É a curvatura do espaço-tempo que faz os corpos com massa atraírem gravitacionalmente outros.

Isso explica por que a gravidade não é uma força, mas uma consequência da curvatura no espaço e no tempo.. Não há nada que esteja gerando a atração. É o efeito macroscópico de que qualquer forma de energia é capaz de alterar a geometria do espaço-tempo. E isso é extremamente importante. A gravidade não é uma força; é uma consequência inevitável da geometria e da curvatura do espaço-tempo.

E, além disso, essa concepção de gravidade relativística também explica por que, em conseqüência da presença de um campo gravitacional, o espaço-tempo se contrai. Quanto maior a gravidade a que você está exposto, mais devagar o tempo passa. E isso é, novamente, por causa da curvatura.Portanto, perto de um buraco negro, o tempo, em relação a um observador, passa incrivelmente lento.

Com a Relatividade Geral, podemos entender a origem elemental da gravidade no nível macroscópicoMas até hoje, todas as tentativas de encaixar a gravidade no modelo da mecânica quântica fracassaram. O que está acontecendo? Por que não podemos encontrar a origem quântica da gravidade?

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Gravidade Quântica: Teoria das Cordas vs. Loop Quantum Gravity

O Universo é governado pelo que são conhecidas como quatro forças ou interações fundamentais. A saber: gravidade (que já dissemos não é tecnicamente uma força, mas uma consequência da curvatura do espaço-tempo), eletromagnetismo (as interações repulsivas ou atraentes entre partículas eletricamente carregadas), a força nuclear fraca (permite que as partículas subatômicas se desintegrem em outros) e a força nuclear forte (mantém juntos prótons e nêutrons no núcleo atômico).

E dizemos isso porque todas essas forças (exceto uma) podem ser explicadas dentro do modelo da física quântica. A mecânica quântica nos permite entender a origem elemental de três das quatro forças. Ou seja, podemos compreender a natureza quântica de todas as forças, exceto uma: a gravidade.

Sabemos que o eletromagnetismo é mediado, no nível quântico, por fótons. A força nuclear fraca, pelos bósons W e Z. E a força nuclear forte, pelos glúons. Mas e a gravidade? Por qual partícula subatômica ela é mediada? Qual é a sua origem quântica? Bom. Não sabemos. E por isso mesmo a gravidade é o grande pesadelo dos físicos.

Há décadas procuramos uma teoria que consiga encaixar a gravidade no modelo quântico. E é que embora saibamos que, no plano macroscópico, ele tem sua origem na curvatura do espaço-tempo, não entendemos qual é sua origem quântica. E é precisamente essa incapacidade de unir a gravidade relativística com a gravidade quântica que significa que não chegamos a uma teoria que unifique todas as forças do Universo em uma. Quando o fizermos, teremos a Teoria de Tudo.

Não compreender a origem quântica da atração gravitacional é o que nos impede de alcançar a unificação da física relativística e quântica. Embora tenhamos compreendido a natureza elementar de três das quatro forças, ainda não temos idéia de onde vem a gravidade de acordo com a mecânica quântica. Não somos capazes de ver isso.

Por que é de longe a interação mais fraca de todas? O que a gravidade transmite entre galáxias com milhares de anos-luz de distância? O que gera a atração no nível quântico? Foi teorizada a existência de uma hipotética partícula subatômica conhecida como gráviton, que não teria massa nem carga elétrica, mas viajaria pelo espaço à velocidade da luz e cuja troca entre corpos materiais explicaria a gravidade. Mas é apenas uma hipótese. Nenhum sinal dele.

Em paralelo, eles desenvolveram duas teorias muito promissoras para explicar a origem quântica da gravidade: Teoria das Cordas (e a teoria que unifica seus cinco referenciais teóricos, conhecida como Teoria M) e Gravidade Quântica de Loop. Duas teorias inimigas que competem para se tornar a Teoria de Tudo, algo que seria um dos eventos mais importantes da história da ciência.

A Teoria das Cordas explica a origem quântica das quatro interações fundamentais partindo do pressuposto de que vivemos em um Universo de dez dimensões (onze, se entrarmos na Teoria M) em que a matéria, em seu nível e escala mais baixa de Planck, é formada por cordas unidimensionais e vibrantes cuja vibração explica a natureza elementar das quatro forças, incluindo a gravidade, uma vez que isso seria devido ao curso de anéis de cordas.

Por sua vez, Loop Quantum Gravity explica a origem quântica apenas da gravidade (as outras três interações estariam faltando), mas não requer a concepção de um Universo de dez dimensões, mas as quatro dimensões que conhecemos são suficientes. Essa teoria afirma que, no nível quântico, o espaço-tempo relativístico não poderia ser dividido infinitamente, mas chegaria a um ponto em que seria composto por uma espécie de malha na qual em uma espuma quântica haveria loops ou loops cujo emaranhamento seria explicar a origem da interação gravitacional.

Ambas as teorias estão longe de estar completas, mas são uma amostra de até onde podemos ir para compreender a origem da gravidade. Uma interação resultante da curvatura do espaço-tempo que é o pilar do Universo e isso, por mais simples que possa parecer, está se revelando um dos maiores desafios da história da ciência.

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