Física Moderna

Física Moderna

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O que é a Teoria da Relatividade Geral?

No século passado surgiram na física várias teorias muito importantes. A "Teoria da Relatividade Restrita", a "Teoria Quântica" e a "Teoria da Relatividade Geral" transformaram radicalmente nosso entendimento sobre a natureza que nos cerca.

Dentre essa teorias certamente a Teoria da Relatividade Geral deAlbert Einstein é a que mais tem despertado a curiosidade e o interesse do público não profissional em ciências físicas. Talvez pelo carisma de seu descobridor, talvez por estar mais intimamente ligada às nossas fantasias de aventuras espaciais, com seus buracos negros e viagens no tempo, a teoria da Relatividade Geral, que é uma teoria da gravitação, tem sido constantemente citada na midia, na maioria das vezes não de uma maneira direta mas em função de resultados que podemos extrair dela.

"Uma teoria complicada demais para mim"

confundem os físicosEi! Espera ai! Não mude de página não! Eu estou falando da teoria da gravitação

Inúmeras vezes ouvimos a frase citada acima sendo dita até mesmo por pessoas que mantém contato periódico com a ciência. Será que a teoria da gravitação de Einstein é realmente tão complicada que somente alguns cérebros bem dotados são capazes de entendê-la? Bem, seria tolice dizer que a teoria da gravitação de Einstein é trivial, que qualquer um pode entendê-la. Isso não é verdade. Essa teoria é realmente complicada, está envolvida por uma matemática bastante sofisticada, introduz conceitos que não fazem parte da nossa vida diária, apresenta conclusões que até hoje relativística estudada por aqueles que são profissionais de física. Existe várias formas de apresentar a teoria da gravitação de Einstein sem que tenhamos de falar em geometria riemanniana, variedades diferenciais, cálculo tensorial, espaços fibrados, espaços de Hausdorff, topologia, etc.

Tentaremos aqui mostrar como a teoria da gravitação de Einstein é interessante, fazer com que você entenda alguns de seus princípios e consiga acompanhar os artigos que serão apresentados nas próximas edições da Revista Café Orbital sobre assuntos astrofísicos ligados ao mundo relativístico. Mas como todos os leitores da revista eletrônica do ON são, por definição, extremamente inteligentes, usaremos, sem hesitar, geometria riemanniana, variedades diferenciais, cálculo tensorial, espaços fibrados, espaços de Hausdorff, topologia, etc ;-)

"Uma teoria complicada demais para mim"

fazem parte da nossa vida diária, apresenta conclusões que até hoje confundem os físicosEi! Espera ai!

Inúmeras vezes ouvimos a frase citada acima sendo dita até mesmo por pessoas que mantém contato periódico com a ciência. Será que a teoria da gravitação de Einstein é realmente tão complicada que somente alguns cérebros bem dotados são capazes de entendê-la? Bem, seria tolice dizer que a teoria da gravitação de Einstein é trivial, que qualquer um pode entendê-la. Isso não é verdade. Essa teoria é realmente complicada, está envolvida por uma matemática bastante sofisticada, introduz conceitos que não Não mude de página não! Eu estou falando da teoria da gravitação relativística estudada por aqueles que são profissionais de física. Existe várias formas de apresentar a teoria da gravitação de Einstein sem que tenhamos de falar em geometria riemanniana, variedades diferenciais, cálculo tensorial, espaços fibrados, espaços de Hausdorff, topologia, etc.

Tentaremos aqui mostrar como a teoria da gravitação de Einstein é interessante, fazer com que você entenda alguns de seus princípios e consiga acompanhar os artigos que serão apresentados nas próximas edições da Revista Café Orbital sobre assuntos astrofísicos ligados ao mundo relativístico. Mas como todos os leitores da revista eletrônica do ON são, por definição, extremamente inteligentes, usaremos, sem hesitar, geometria riemanniana, variedades diferenciais, cálculo tensorial, espaços fibrados, espaços de Hausdorff, topologia, etc ;-)

A evolução do conhecimento sobre gravitação

Ao contrário do que muitos declaram, a teoria relativística da gravitação não surgiu do nada. Sua elaboração é uma longa história de erros e acertos que se alternaram até que, em um determinado momento, cientistas conseguiram estabelecer a forma correta final que ela deveria ter. Como qualquer outra teoria descoberta na física, a construção da teoria da relatividade geral se apoiou em conhecimentos previamente estabelecidos ou, como disse muito bem Isaac Newton, ela foi criada "sobre os ombros de gigantes". Isso de modo algum é uma tentativa de tirar o mérito científico de Albert Einstein mas é preciso desmistificar a história e aceitar que muitos outros grande nomes da física participaram do problema e contribuiram para a sua solução.

Toda a história da gravitação começa com as tentativas de compreender o movimento dos corpos. Esse problema já fazia parte do pensamento dos antigos filósofos gregos. Muitos deles se manifestaram sobre o assunto mas somente alguns marcaram a ciência com suas idéias. O filósofo gregoAristóteles (~ 300 a.C.) foi um deles. Ele acreditava que para que um corpo fosse mantido em movimento uniforme era necessário que uma força constante fosse aplicada sobre ele. Além disso Aristóteles acreditava que forças só podiam ser aplicadas através do contato entre corpos. Para ele era inadmissível o conceito de força à distância.

Para Aristóteles a equação de movimento era:

A partir disso Aristóteles concluiu que o vácuo não podia existir na natureza uma vez que no vácuo não haveria resistência e qualquer que fosse a força aplicada a um corpo ela sempre produziria velocidades infinitas.

As conclusões de Aristóteles estavam erradas mas como sua ciência foi considerada "oficial" por aqueles que regiam o mundo naquela época, suas idéias imperaram por quase 2000 anos, impedindo a compreensão correta dos fenômenos gravitacionais.

Os trabalhos deNicolau Copernico (1473-1543) sobre o Sistema Solar foram muito importantes por mostrarem o papel que a gravitação exercia nos corpos celestes. Em seguidaJohannes Kepler (1571- 1630) nos apresentou suas leis do movimento planetário eGalileo Galilei (1564-1642) nos fez compreender o movimento e a queda dos corpos.

Com base nesses conhecimentos,Isaac Newton apresentou em 1687 no seu famoso livroPhilosophiae Naturalis Principia Mathematica, ou simplesmentePrincipia, suas três leis do movimento e suaTeoria da Gravitação Universal.

Newton modificou a equação de movimento de Aristóteles, que dominou o cenário da física durante tanto tempo, propondo uma nova equação de movimento:

força = massa x aceleração

No seuPrincipia Newton estabeleceu axiomas capazes de descrever como os corpos interagiam por meio da força gravitacional.

força = resistência x movimento

A forma analítica definitiva dos axiomas propostos por Isaac Newton foi elaborada pelo grande matemático alemão LeonhardEuler. Esses axiomas também foram trabalhados por três grandes nomes da ciência, o matemático francês (ou italiano!) Joseph-LouisLagrange (Giuseppe Lodovico Lagrangia), o matemático irlandês William RowanHamilton e o matemático alemão Carl Gustav JacobJacobi.

Esses grandes cientistas transformaram os axiomas do movimento criados por Newton em métodos gerais e muito poderosos. Graças ao trabalho deles os físicos passaram a empregar novas quantidades analíticas em suas análises dos problemas de movimentos. Surgiu nessa época o conceito depotencial, grandeza física intimamente associada às forças mas que não faz parte da nossa experiência diária.

Dizemos que uma força éconservativa se o trabalho realizado por ela sobre uma partícula que se move entre dois pontos depende somente desses dois pontos e não de qual o tipo ou tamanho da trajetória percorrida. Toda força conservativa aplicada a um corpo é igual ao negativo da variação da energia potencial desse corpo ao longo de um deslocamento.

Os importantíssimos trabalhos desses cientistas se condensaram nas chamadas equações de Euler-Lagrange, publicadas em 1788, e nateoria de Hamilton- Jacobi, poderosos instrumentos conhecidos por todos que estudam a mecânica clássica.

As equações de Euler-Lagrange são o meio mais econômico de escrevermos as equações de movimento de um corpo pois, além de envolverem o número mínimo de coordenadas, elas lidam apenas com duas funções escalares, energia cinética (T) e energia potencial (V), em vez das forças e acelerações vetoriais que caracterizam a abordagem feita anteriormente por Newton.

Como as equações de Euler-Lagrange podem ser deduzidas a partir da segunda lei de Newton, que só vale em referenciais inerciais, as funções T e V também têm que ser expressas em relação a um mesmo referencial inercial.

Como as equações de Euler-Lagrange podem ser deduzidas a partir da segunda lei de Newton, que só vale em referenciais inerciais, as funções T e V também têm que ser expressas em relação a um mesmo referencial inercial.

As equações de Euler-Lagrange utilizam um termo dado por L = T - V. Esse L é a chamada lagrangiana. Todos os "campos" existentes na natureza são descritos por uma lagrangiana. É muito comum vermos os campos existentes na natureza, tais como o campo eletromagnético, o campo eletrofraco e até mesmo do campo gravitational, serem representados por suas lagrangianas.

A teoria de Hamilton-Jacobi é um método que nos permite realizar um certo tipo de transformação, chamadotransformação canônica, que é capaz de simplificar drasticamente as equações de movimento de um dado sistema.

Dois grandes físicos franceses,Alexis Clairaut ePierre-Simon Laplace, publicaram vários trabalhos mostrando que a teoria da gravitação universal proposta por Isaac Newton estava correta.

Laplace se interessou pelo problema da estabilidade do Sistema Solar no seuTraité du Mécanique Céleste publicado em 1799. Na verdade o chamado "problema de três corpos" foi intensamente estudado no século XIX mas só foi entendido muito mais tarde.

Einstein e a gravitação

A teoria da gravitação universal apresentada por Isaac Newton funcionava extremamente bem nos problemas apresentados pela mecânica clássica. Havia muito pouco motivo para questioná-la mas, e sempre há um "mas" nas boas histórias, uma pergunta permanecia na mente dos cientistas: no processo de interação gravitacional entre dois corpos como podemos explicar que cada um deles saiba que o outro está presente?

Em 1900Hendrik Antoon Lorentz conjecturou que a gravitação poderia ser atribuida a ações que se propagavam com a velocidade da luz.Henri Poincaré, em um artigo de julho de 1905 enviado para a revista alguns dias antes do trabalho de Einstein sobre a relatividade restrita, sugeriu que todas as forças deviam se transformar de acordo com as chamadas "transformações de Lorentz-Fitzgerald". Ele também afirmou que, se essa regra é verdade, a lei de Newton da Gravitação não é mais válida pois ela não a obedece. Poincaré também propôs a existência de ondas gravitacionais que se propagavam com a velocidade da luz.

Em 1907, dois anos após ter apresentado sua teoria da relatividade restrita, Einstein estava preparando um artigo de revisão sobre essa teoria. Durante esse trabalho ele ficou curioso em saber como a gravitação Newtoniana teria que ser modificada para se ajustar dentro da estrutura da sua teoria da relatividade especial. Neste momento ocorreu a Einstein o que ele mesmo descreveu como "o mais feliz pensamento de minha vida" ou seja, que um observador que está caindo do telhado de uma casa não sente o campo gravitacional. Como conseqüência disso ele propôs então o chamadoprincípio da equivalência:

Existe uma completa equivalência física entre um campo gravitacional e a correspondente aceleração do sistema de referência. Esta suposição estende o princípio da relatividade para o caso de movimento uniformemente acelerado do sistema de referência.

O princípio da equivalência é o responsável pela sensação que temos quando estamos dentro de um elevador que desce em grande velocidade. Todos sentimos como se estivessemos sendo puxados para cima, como se fossemos ser tirados do chão do elevador. Na verdade, se o elevador romper seus cabos e despencar em queda livre por uma distância suficientemente longa, você (não eu!) irá flutuar dentro dele até se esborrachar no poço do elevador (certamente essa será sua última experiência com a física mas você irá morrer pensando em um princípio relativístico o que certamente te dará acesso direto ao céu).

Depois de criar o princípio da equivalência em 1907, um importante passo, Einstein não publicou nada mais sobre gravitação até 1911. Ele sabia desde 1907 que um raio luminoso se curvaria na presença de um campo gravitacional forte. Esse encurvamento da luz era uma conseqüência do princípio da equivalência mas era difícil fazer uma verificação experimental disso por meio de observações terrestres.

Em 1911 Einstein compreendeu que a curvatura do raio luminoso em um campo gravitacional poderia ser verificada por meio de observações astronômicas.

Também foi discutido nessa época o deslocamento para o vermelho gravitacional, o "redshift" gravitacional, que ocorre quando o comprimento de onda da luz que sai de um corpo de grande massa (uma estrela por exemplo) é deslocado na direção do vermelho devido à perda de energia necessária para escapar do campo gravitacional do corpo.

Einstein publicou outros artigos sobre gravitação em 1912. Nestes ele compreendeu que as transformações de Lorentz não se aplicariam na estrutura mais geral que ele estava desenvolvendo. Ele também notou que as equações do campo gravitacional estavam limitadas a ser não lineares e o princípio da equivalência parecia ocorrer somente localmente.

Nessa época Einstein verificou que se todos os sistemas acelerados são equivalentes então a geometria Euclidiana não pode ser usada em todos eles. Lembrando o estudo da teoria das superfícies de Gauss que havia feito quando estudante, Einstein logo compreendeu que os fundamentos da geometria tinham significado físico. Ele consultou seu amigo, o grande matemático húngaroMarcell Grosmann, que prontamente lhe mostrou os importantes desenvolvimentos que haviam sido feitos em geometria pelos alemãesBernhard Riemann eElwin Christoffel, o norueguêsSophus Lie e os italianosGregorio Ricci-Curbastro e Tullio Levi-Civita, alguns dos nomes mais importantes da matemática naquela época. Pode-se dizer que foi Marcell Grossmann quem descobriu a importância que o cálculo tensorial desenvolvido por esses matemáticos teria para a futura teoria da relatividade geral de Einstein.

Em 1913 Einstein e Grosmann publicaram um artigo juntos ("Entwurf einer verallgemeinerten Relativitätstheorie und der Theorie der Gravitation",Zs. Math. und Phys.,62, 225 (1913)) onde o cálculo tensorial desenvolvido por Ricci e Levi-Civita é empregado. Grosmann mostrou a Einstein o tensor de Riemann-Christoffel, ou tensor de curvatura, que junto com o tensor de Ricci, que é deduzido a partir dele, iriam se tornar ferramentas importantes na futura teoria relativística da gravitação. Embora a teoria apresentada estivesse ainda errada, pela primeira vez a gravitação era descrita por um tensor métrico, o que significava um grande avanço.

Em outubro de 1914 Einstein escreveu um artigo em que metade dele é um tratado sobre análise tensorial e geometria diferencial. Esse artigo fez com que fosse iniciada uma correspondência entre Einstein e Levi-Civitta na qual o grande matemático italiano apontou erros técnicos no trabalho sobre tensores apresentado por Einstein. Einstein estava maravilhado em ser capaz de trocar idéias com Levi-Civitta, um matemático muito mais receptivo às suas idéias sobre a relatividade do que um grande número de seus colegas físicos.

Na segunda metade de 1915 Einstein finalmente aprontou sua teoria. Entretanto, o passo final para a teoria da relatividade geral foi tomado por Einstein eDavid Hilbert quase ao mesmo tempo. Ambos haviam reconhecido falhas no trabalho de Einstein publicado em outubro de 1914. Uma correspondência entre estes dois cientistas ocorreu em novembro de 1915. É difícil saber quanto um deles aprendeu com o outro mas o fato de ambos descobriram a mesma forma final das equações do campo gravitacional e publicarem seus artigos com um intervalo de apenas alguns dias certamente indica que a troca de idéias entre eles foi valiosa.

No dia 20 de novembro de 1915 David Hilbert submeteu seu artigo, com o título "Os fundamentos da física", ("Die Grundlagen der Physik",Nachr. Königl. Gesellsch. Wiss. Göttingen, math.-phys. Kl. 1915, Heft 3, p. 395), a publicação. Nesse artigo Hilbert obtinha as equações de campo corretas para a gravitação. Cinco dias depois de Hilbert, no dia 25 de novembro de 1915, Albert Einstein submeteu seu artigo, "Die Feldgleichungen der Gravitation", sobre a teoria da gravitação. Em 1916 Einstein publicou outro artigo, "Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie" (Ann. Phys. (Leipzig),49, 769, 1916), onde ampliava sua discussão sobre o assunto. A teoria relativística da gravitação era apresentada ao mundo científico em duas brilhantes versões.

O artigo de Hilbert contém algumas importantes contribuições à relatividade não encontradas no artigo de Einstein. Hilbert aplicou o princípio variacional à gravitação e atribuiu aEmmy Noether a descoberta de um dos principais teoremas que dizem respeito a identidades que aparece no seu artigo.

Na verdade o teorema de Emmy Noether só foi publicado com uma demonstração em 1918 em um artigo que ela escreveu sob seu próprio nome (nessa época mulheres não tinham acesso à Academia de Ciências e Emmy Noether entregava seus artigos para serem lidos perante os acadêmicos por algum de seus colegas homens). Seu teorema se tornou uma ferramenta vital na física teórica. Um caso especial do teorema de Noether foi escrito porHermann Weyl (1885-1955) em 1917 quando o utilizou para deduzir identidades que, mais tarde foi verificado, já haviam sido independentemente descobertas por Ricci em 1889 e porLuigi Bianchi, aluno do matemático alemãoFelix Klein (1849-1925), em 1902.

Logo depois dos artigos de Einstein e Hilbert com as equacões de campo corretas o físico alemãoKarl Schwarzschild encontrou, em 1916, uma solução matemática para as equações que corresponde ao campo gravitacional de um objeto compacto esfericamente simétrico. Pela primeira vez era obtida uma solução exata das equações de campo da gravitação relativística. Na época o resultado apresentado por Schwarzschild foi considerado como um exercício puramente teórico. No entanto, anos mais tarde, verificou-se que esta solução descrevia uma estrela reativística e, deste modo, inaugurava-se uma nova área de pesquisa em astrofísica, aastrofísica relativística. Todos os trabalhos que hoje vemos sobre estrelas de nêutrons, pulsares e buracos negros se apoiam inteiramente nas soluções obtidas por Karl Schwarzschild.

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