A Gravidade no Século 21

Visão geral da unidade

Embora de longe a mais fraca das forças conhecidas na natureza, a gravidade permeia o universo e desempenhou um papel essencial na evolução do universo para seu estado atual.

A lei da gravitação universal de Newton e seu elegante sucessor, a teoria da relatividade geral de Einstein, representam marcos na história da ciência e fornecem as melhores descrições que temos da gravidade.

A relatividade geral é fundada no princípio da equivalência da gravidade e aceleração; uma conseqüência inevitável é que a gravidade governa a própria geometria do espaço e do tempo.

Essa propriedade da gravidade a distingue das outras forças e faz tentativas de unificar todas as forças em uma "teoria de tudo" extremamente difícil. Quão bem entendemos realmente a gravidade?

As mesmas leis da gravidade se aplicam a objetos nos lados opostos do universo e a partículas no mundo quântico microscópico?

A pesquisa atual está tentando melhorar a precisão com a qual as leis da gravidade foram testadas e expandir o domínio sobre o qual foram feitos testes de gravidade.

Estima-se que as ondas gravitacionais, previstas pela relatividade geral, sejam observadas em um futuro próximo (*1). Esta unidade revisará o que sabemos sobre a gravidade e descreverá muitas das direções que as pesquisas em gravitação é dada a seguir.

Há três anos, em abril de 2015, os cientistas do Observatório de Interferometria Laser de Ondas Gravitacionais dos Estados Unidos (LIGO) anunciaram ter ouvido e gravado o som de dois buracos negros a colidirem a mil milhões de anos-luz de distância, produzindo ondas gravitacionais. Esse fenómeno já tinha sido previsto por Albert Einstein quando postulou a Teoria da Relatividade Geral. Dois anos mais tarde, o Nobel da Física foi entregue à equipa do LIGO que detetou as ondas gravitacionais. Agora, outro grupo de cientistas, baseado no Instituto Niels Bohr (Copenhaga, Dinamarca), coloca dúvidas sobre a descoberta dessas perturbações, noticia a New Scientist.

Jonas Paulo Negreiros escreveu:O Fórum Física2100 é conhecido entre velhos colaboradores como "O Fórum da Gravidade".

Xevious escreveu:

Jonas Paulo Negreiros escreveu:O Fórum Física2100 é conhecido entre velhos colaboradores como "O Fórum da Gravidade".

Por isso que acho que deveríamos ter uma seção só sobre o assunto.

Jonas Paulo Negreiros escreveu:O buscador do fórum é razoavelmente bom. A maioria das postagens sobre gravidade podem ser encontradas sem grande dificuldade.

Seção 1: Introdução

Quaisquer dois objetos, independentemente de sua composição, tamanho ou distância, sentem uma força que os atrai um para o outro.

Conhecemos essa força como gravidade.

O estudo da gravidade desempenhou um papel central na história da ciência a partir do século XVII, durante o qual Galileu Galilei comparou objetos que estavam sob a influência da gravidade e Sir Isaac Newton propôs a lei da gravitação universal ao século XX e à teoria de Albert Einstein da relatividade geral, até os dias atuais, quando pesquisas intensas em física gravitacional enfocam tópicos como buracos negros, ondas gravitacionais e a composição e evolução do universo.

Qualquer estudo da gravidade deve acomodar dois fatos antitéticos. De muitas maneiras, a gravidade é a força dominante no universo. No entanto, das quatro forças conhecidas na natureza, a gravidade é de longe a mais fraca. A razão para essa fraqueza continua sendo uma grande questão sem resposta na ciência. A gravidade também forma o foco central dos esforços para criar uma "teoria de tudo", unificando todas as quatro forças da natureza. Ironicamente, a gravidade foi responsável pela primeira unificação de forças, quando Newton identificou que a força que fazia uma maçã cair na Terra era a mesma que mantinha a Lua em órbita


A pesquisa atual sobre gravidade assume várias formas. Experimentos com precisão cada vez maior procuram testar os fundamentos da teoria gravitacional, como a universalidade da queda livre e a lei do quadrado inverso. Outros experimentalistas estão desenvolvendo maneiras de detectar as ondas gravitacionais previstas pela teoria da relatividade geral de Einstein e de entender a natureza fundamental da gravidade nas unidades maiores e menores de comprimento.

Ao mesmo tempo, os teóricos estão explorando novas abordagens da gravidade que estendem o trabalho monumental de Einstein no esforço de reconciliar a mecânica quântica e a relatividade geral.

Quão fraca é a gravidade?

Podemos descobrir comparando a força gravitacional com a força eletromagnética, a outra força de longo alcance na natureza, no caso de um átomo de hidrogênio.

Usando a lei de Coulomb de atração e repulsão elétrica, podemos calcular a magnitude da força elétrica atraente, FE, entre o elétron e o próton e a Lei da Gravitação Universal de Newton, que discutiremos na próxima seção, para calcular a magnitude da gravidade gravitacional. força, FG, entre as duas partículas.

Achamos que F G / F E 4 x 10 -40. Como ambas as forças diminuem conforme o quadrado da distância entre os objetos, a força gravitacional entre o elétron e o próton permanece quase 39 ordens de magnitude mais fraca que a força elétrica em todas as distâncias.

Esse é um número tão grande que mal podemos compreendê-lo: aproximadamente a proporção entre o tamanho do universo observável e o tamanho de um núcleo atômico. Relativamente falando, a curtas distâncias, as forças fortes, fracas e eletromagnéticas têm forças comparáveis, 39 ordens de magnitude mais fortes que a gravidade.

O contraste tem consequências práticas.

Podemos facilmente sentir a força magnética entre dois ímãs de geladeira, mas não sentimos a força gravitacional de atração entre nossas mãos quando elas estão próximas uma da outra. A força está lá, mas fraca demais para notar.

Os físicos usam instrumentos sensíveis, como as balanças de torção (*) que discutimos abaixo para detectar a força gravitacional entre objetos pequenos. Mas as medições exigem muito cuidado para garantir que as forças elétricas e magnéticas residuais não sobrecarreguem os fracos efeitos gravitacionais.

Podemos facilmente sentir a força magnética entre dois ímãs de geladeira, mas não sentimos a força gravitacional de atração entre nossas mãos quando elas estão próximas uma da outra. A força está lá, mas fraca demais para notar.

Podemos facilmente sentir a força magnética entre dois ímãs de geladeira, mas não sentimos a força gravitacional de atração entre nossas mãos quando elas estão próximas uma da outra. A força está lá, mas fraca demais para notar.

Os físicos usam instrumentos sensíveis, como as balanças de torção (*) que discutimos abaixo para detectar a força gravitacional entre objetos pequenos. Mas as medições exigem muito cuidado para garantir que as forças elétricas e magnéticas residuais não sobrecarreguem os fracos efeitos gravitacionais.

No entanto, a gravidade é a força que experimentamos com mais frequência. Seja levantando os braços, subindo uma escada ou jogando uma bola, sentimos rotineiramente e compensar os efeitos de nossa atração gravitacional pela Terra em nossas vidas diárias. Chamamos a direção oposta à gravidade da Terra "para cima".

Remover os efeitos da gravidade da Terra em uma queda livre de uma prancha de mergulho ou a falta de peso do espaço nos deixa desorientados. A gravidade mantém a Lua em órbita sobre a Terra, a Terra em órbita sobre o Sol e o Sol em órbita sobre o centro de nossa galáxia Via Láctea.

A gravidade mantém grupos galáxias juntas em aglomerados e, acreditamos, governa as maiores estruturas do universo. O papel da gravidade na formação de estrelas e galáxias também causou a formação de estrelas e galáxias em primeiro lugar.

O modelo padrão de cosmologia tem o universo começando em um Big Bang aproximadamente 14 bilhões de anos atrás, seguidos por uma expansão que continua até hoje.

Desde tenra idade, antes da existência das estrelas (*), o universo podia ser descrito como um gás quase homogêneo de matéria e radiação. A matéria consistia principalmente de átomos de hidrogênio, átomos de hélio, neutrinos e matéria escura (uma forma desconhecida de matéria que interage através da gravidade, mas cuja natureza exata é atualmente um campo de intensa pesquisa, como veremos na Unidade 10).

Nas regiões do espaço em que a densidade da matéria excedeu levemente a média, a atração gravitacional entre os constituintes da matéria fez com que o gás se fundisse em grandes nuvens. Atrito dentro das nuvens devido a colisões entre os átomos e maior atração gravitacional fez com que as regiões das nuvens se fundissem em densidades tão altas que incendiassem a fusão nuclear, a fonte de energia das estrelas.

Jonas Paulo Negreiros escreveu:Quando você fala em energia estacionaria, você se refere a energia contida numa onda estacionaria?

Jonas escreveu:E quanto à cavidade? Seria um buraco negro?

José Augusto escreveu:vácuo com comportamento não linear, tensionado pela presença da energia poderia formar transição reflexiva com região de energia ausente.

Uma estrela maciça que queimou todo o seu combustível nuclear pode entrar em colapso sob a influência da gravidade em um buraco negro, uma região do espaço onde a gravidade é tão forte que nem a luz consegue escapar da atração gravitacional.

Perto de um buraco negro, portanto, a interação mais fraca da natureza exerce a força mais forte do universo.

Como os físicos reconciliam a incrível fraqueza da gravidade em relação à força eletromagnética com a observação de que a gravidade domina as interações entre os maiores objetos do universo?

Como pode levar a atração gravitacional bilhões de anos, como mostram os cálculos, para colidir dois átomos de hidrogênio com apenas 10 cm de distância quando sabemos que o gás hidrogênio do universo primitivo se condensou em enormes nuvens e estrelas em uma escala de tempo muito mais rápida ?

Por que a gravidade da Terra parece tão forte, enquanto as forças gravitacionais entre os objetos na Terra são tão pequenas que são difíceis de detectar?

A resposta, comum a todas essas perguntas, surge das massas relativas dos objetos em questão. A gravidade é fraca entre objetos que possuem pequenas massas, mas cresce em força à medida que os objetos crescem em massa.

Essa resposta aparentemente simples reflete uma profunda diferença entre a gravidade e as outras forças da natureza.

Uma estrela maciça que queimou todo o seu combustível nuclear pode entrar em colapso sob a influência da gravidade em um buraco negro, uma região do espaço onde a gravidade é tão forte que nem a luz consegue escapar da atração gravitacional.

Colapso gravitacional é o fenômeno que ocorre quando um objeto muito massivo (normalmente uma estrela) deixa de realizar fusão nuclear de seus elementos químicos já esgotados, contraindo-se. No caso das estrelas, podem gerar uma anã branca, mas se o processo se estabiliza, elas explodem, gerando uma supernova no caso de uma instabilidade em seu núcleo no ato do colapso, criando um buraco negro.

Alguém entendeu completamente o parágrafo acima   ?
Traduções automáticas são trágicas...

Outros corpos celestes com massa da ordem de seis vezes a do nosso Sol acabam gerando um buraco negro em seu colapso gravitacional, devido ao tamanho da distorção gerada no espaço-tempo. Buracos negros são deformações do espaço tempo, onde nada escapa, nem mesmo a luz por causa de sua grande gravidade.

Em astronomia, uma anã branca é um remanescente estelar composto principalmente por matéria eletronicamente degenerada. Uma anã branca é altamente densa: sua massa é comparável com a do Sol, enquanto seu volume é comparável com o volume da Terra. A fraca luminosidade de uma anã branca tem sua origem na emissão de energia térmica de reserva; não há fusão dentro de uma anã branca, processo no qual massa é convertida em energia. A anã branca mais próxima do Sistema Solar é Sirius B, a uma distância de 8,6 anos-luz, a menor componente da estrela binária Sirius. Atualmente, há oito anãs brancas detectadas entre as centenas de sistemas estelares próximos do Sol. O brilho fraco das anãs brancas foi primeiramente reconhecido em 1910. O nome anã branca foi proposto por Willem Luyten em 1922.

Jonas Paulo Negreiros escreveu:Incertas conclusões sobre explanações incertas   :

- Resultado do colapso de estrela de massa igual a um sol: Anã Branca ou Super Nova;

- Resultado do colapso de estrela de massa igual a seis sóis: Super Nova ou Buraco Negro.

Socorro   !
Alguém pode explicar melhor tudo isso  ?

Por que a gravidade da Terra parece tão forte, enquanto as forças gravitacionais entre os objetos na Terra são tão pequenas que são difíceis de detectar?

A resposta, comum a todas essas perguntas, surge das massas relativas dos objetos em questão. A gravidade é fraca entre objetos que possuem pequenas massas, mas cresce em força à medida que os objetos crescem em massa.

Essa resposta aparentemente simples reflete uma profunda diferença entre a gravidade e as outras forças da natureza.

Atração sem repulsão  

A gravidade é uma força atraente que atua entre quaisquer objetos a qualquer distância, independentemente de sua composição. A propriedade da matéria que gera essa atração é essencialmente a massa do objeto.

A força gravitacional entre cada átomo da Terra e cada átomo do nosso corpo é incrivelmente pequena. No entanto, cada um dos aproximadamente 10^50 átomos da Terra atrai cada um dos aproximadamente 10^27 átomos de nosso corpo, levando à força apreciável que experimentamos.

Em contraste, as outras forças da natureza podem ser atraentes e repulsivas. A força elétrica é atraente entre cargas diferentes e igualmente repulsiva entre cargas iguais.

Como a matéria comum, como a Terra ou nossos corpos, consiste em números iguais de cargas positivas e negativas ligadas entre si em átomos, a força elétrica líquida entre objetos eletricamente neutros desaparece essencialmente.

Se colocarmos uma carga elétrica dentro de uma caixa de metal aterrada, caso contrário, uma carga fora da caixa não será afetada pela carga interna. Essa "blindagem elétrica" surge do movimento de cargas dentro do metal que se reorganizam para cancelar a força elétrica da carga interna.

Se, em vez disso, colocarmos uma massa dentro de uma caixa de metal aterrada ou qualquer outro tipo de caixa, outra massa colocada fora da caixa sempre sentirá sua força gravitacional, bem como a força da massa da própria caixa. Como a força gravitacional tem apenas um sinal - atraente - ela não pode ser protegida.

Todas as partículas, matéria normal ou escura, em regiões do universo primitivo que apresentavam densidade um pouco maior que a média atraíam gravitacionalmente partículas próximas mais fortemente do que regiões com densidade menor que a média.

A gravidade fez com que o assunto se fundisse nas estruturas do universo que vemos hoje. Enquanto estamos em repouso, os poucos centímetros quadrados de nossos pés em contato com o solo se opõem à força gravitacional descendente de todos os 10 50 átomos da Terra.

O que neutraliza a gravidade é a repulsão elétrica entre os elétrons mais externos das solas de nossos sapatos e os elétrons na superfície do solo. O mero ato de permanecer em pé incorpora o contraste entre a atração gravitacional fraca, mas cumulativa, e a força elétrica muito mais forte, mas que se auto-cancela.

Seção 3: Lei da Gravitação Universal de Newton

Um tema subjacente na ciência é a ideia de unificação, a tentativa de explicar fenômenos aparentemente díspares sob o guarda-chuva de um quadro teórico comum.  

A primeira grande unificação na física foi a compreensão de Sir Isaac Newton de que a mesma força que fez com que uma maçã caísse na superfície da Terra, a gravidade, também foi responsável por manter a Lua em órbita ao redor da Terra.

Esta força universal também atuaria entre os planetas e o Sol, fornecendo uma explicação comum tanto para o terrestre quanto para fenômenos astronômicos.