Astronomia

teoria da relatividade Geral faz diversas previsões sobre o comportamento do espaço e do tempo. Uma dessas previsões, em termos cotidianos, é que quanto mais forte a gravidade, mais lento o ritmo do tempo. Tal afirmação vai muito contra o nosso sentido intuitivo de tempo como um fluxo que todos partilhamos. O tempo sempre pareceu o mais democrático dos conceitos: todos nós, independentemente da riqueza ou do estatuto, parecemos mover-nos juntos do berço à sepultura na grande corrente do tempo.Mas Einstein argumentou que isso só nos parece assim porque todos os seres humanos até agora viveram e morreram no ambiente gravitacional da Terra. Não tivemos oportunidade de testar a ideia de que o ritmo do tempo pode depender da força da gravidade, porque não experimentamos gravidades radicalmente diferentes. Além disso, as diferenças no fluxo de tempo são extremamente pequenas até que massas verdadeiramente grandes estejam envolvidas. No entanto, a previsão de Einstein foi testada, tanto na terra como no espaço.

the Tests of Time

An ingenious experiment in 1959 used the most accurate atomic clock known to compare time measurements on the ground floor and the top floor of the physics building at Harvard University. Para um relógio, os experimentadores usavam a frequência (o número de ciclos por segundo) dos raios gama emitidos pelo cobalto radioativo. A teoria de Einstein prevê que tal relógio de cobalto no rés-do-chão, estando um pouco mais perto do centro de gravidade da terra, deve correr muito mais lentamente do que o mesmo relógio no último andar. Isto é precisamente o que as experiências observaram. Mais tarde, os relógios atômicos foram absorvidos em aeronaves de alto voo e até mesmo em um dos voos espaciais Gemini. Em cada caso, os relógios mais distantes da Terra corriam um pouco mais rápido. Embora em 1959 não importasse muito se o relógio no topo do edifício funcionasse mais rápido do que o relógio no porão, hoje esse efeito é altamente relevante. Cada smartphone ou dispositivo que se sincroniza com um GPS deve corrigir para isso (como veremos na próxima seção) uma vez que os relógios em satélites funcionarão mais rápido do que os relógios na Terra.

o efeito é mais pronunciado se a gravidade envolvida é do sol e não da Terra. Se a gravidade mais forte desacelera o ritmo do tempo, então levará mais tempo para que uma luz ou onda de rádio que passa muito perto da borda do sol chegue à terra do que seria de esperar com base na lei da gravidade de Newton. (Demora mais porque o espaço-tempo é curvado na vizinhança do sol.) Quanto menor a distância entre o raio de luz e a borda do sol na aproximação mais próxima, maior será o atraso na hora de chegada.Em novembro de 1976, quando as duas naves Viking estavam operando na superfície de Marte, o planeta ficou atrás do sol visto da Terra (Figura 1). Os cientistas tinham pré-programado a Viking para enviar uma onda de rádio para a terra que iria extremamente perto das regiões exteriores do sol. De acordo com a relatividade geral, haveria um atraso porque a onda de rádio estaria passando por uma região onde o tempo passava mais lentamente. A experiência foi capaz de confirmar a teoria de Einstein para dentro de 0,1%.

Figura 1. Atrasos no tempo para ondas de rádio perto do sol: sinais de rádio da sonda Viking em Marte foram adiados quando passaram perto do sol, onde o espaço-tempo é curvado relativamente fortemente. Nesta imagem, o espaço-tempo é retratado como uma folha de borracha bidimensional.

desvio gravitacional para o vermelho

o que significa dizer que o tempo corre mais lentamente? Quando a luz emerge de uma região de forte gravidade onde o tempo abranda, a luz experimenta uma mudança na sua frequência e comprimento de onda. Para entender o que acontece, vamos lembrar que uma onda de luz é um fenômeno repetitivo—a crista segue a crista com grande regularidade. Neste sentido, cada onda de luz é um pequeno relógio, mantendo o tempo com o seu ciclo de onda. Se a gravidade mais forte desacelera o ritmo do Tempo (em relação a um observador externo), então a taxa a que a crista segue a crista deve ser correspondentemente mais lenta—isto é, as ondas tornam-se menos frequentes.

para manter a velocidade da luz constante (o postulado chave nas teorias da relatividade especial e geral de Einstein), a menor frequência deve ser compensada por um comprimento de onda mais longo. Este tipo de aumento no comprimento de onda (quando causado pelo movimento da fonte) é o que chamamos de desvio vermelho na radiação e espectros. Aqui, porque é a gravidade e não o movimento que produz os comprimentos de onda mais longos, chamamos o efeito de um desvio gravitacional para o vermelho.

o advento da tecnologia da era espacial tornou possível medir o desvio gravitacional com muito alta precisão. Em meados da década de 1970, um maser de hidrogênio, um dispositivo semelhante a um laser que produz um sinal de rádio de microondas em um comprimento de onda particular, foi transportado por um foguete a uma altitude de 10.000 quilômetros. Instrumentos no solo foram usados para comparar a frequência do sinal emitido pelo maser de foguete com a de um maser similar na Terra. O experimento mostrou que o campo gravitacional mais forte na superfície da Terra realmente abrandou o fluxo de tempo em relação ao medido pelo maser no foguete. O efeito observado correspondeu as previsões da relatividade geral a algumas partes em 100.000.

estes são apenas alguns exemplos de testes que confirmaram as previsões da relatividade geral. Hoje, a relatividade geral é aceita como nossa melhor descrição da gravidade e é usada por astrônomos e físicos para entender o comportamento dos centros de galáxias, o início do universo, e o assunto com o qual começamos este capítulo—a morte de estrelas verdadeiramente massivas.

Relativity: A Practical Application

By now you may be asking: porque haveria de me preocupar com a relatividade? Não posso viver a minha vida perfeitamente bem sem ela? A resposta é que você não pode. Cada vez que um piloto de terras de um avião ou você usa um GPS para determinar onde você está em uma unidade ou caminhada na volta ao país, (ou pelo menos o seu aparelho de GPS) deve ter os efeitos de ambas geral e especial da relatividade em conta.

o GPS baseia-se num conjunto de 24 satélites orbitando a terra, e pelo menos 4 deles são visíveis de qualquer ponto da Terra. Cada satélite tem um relógio atómico preciso. O seu receptor GPS detecta os sinais daqueles satélites que estão por cima e calcula a sua posição com base no tempo que levou esses sinais para chegar até si. Suponha que você quer saber onde você está a menos de 50 pés (dispositivos GPS podem realmente fazer muito melhor do que isso). Desde leva apenas 50 bilhonésimos de um segundo para a luz viajar de 50 pés, os relógios dos satélites devem ser sincronizados pelo menos esta precisão—e efeitos relativistas, portanto, deve ser levado em conta.

os relógios nos satélites estão orbitando a terra a uma velocidade de 14.000 quilômetros por hora e estão se movendo muito mais rápido do que os relógios na superfície da Terra. De acordo com a teoria da relatividade de Einstein, os relógios nos satélites estão a contar mais lentamente do que os relógios baseados na terra em cerca de 7 milionésimos de segundo por dia. (Nós não discutimos a teoria da relatividade especial, que lida com mudanças quando os objetos se movem muito rápido, então você terá que acreditar em nossa palavra para esta parte.)

as órbitas dos satélites estão 20.000 quilômetros acima da terra, onde a gravidade é cerca de quatro vezes mais fraca do que na superfície da Terra. A relatividade geral diz que os relógios em órbita devem marcar 45 milionésimos de segundo mais depressa do que na Terra. O efeito líquido é que o tempo em um relógio de satélite avança em cerca de 38 microssegundos por dia. Se esses efeitos relativísticos não fossem levados em conta, os erros de navegação começariam a somar-se e as posições seriam desligadas em cerca de 7 milhas em apenas um único dia.

glossário

desvio gravitacional para o vermelho:

um aumento no comprimento de onda de uma onda electromagnética (luz) quando se propaga de ou perto de um objecto maciço