Relatividade de Einstein é testada em escala humana

Os cientistas observaram estes fenômenos fazendo alterações específicas em um dos dois relógios atômicos de alumínio e medindo as diferenças resultantes em relação ao outro relógio usado como parâmetro. (Imagem: Chou et al./Science)

A diferença na passagem do tempo para objetos que se deslocam em velocidades diferentes é um dos aspectos mais discutidos e menos compreendidos da Teoria da Relatividade de Einstein.

Dadas as “dimensões sobre-humanas” envolvidas, envolvendo foguetes e gêmeos que viajam em naves espaciais, é difícil explicar o fenômeno e seus efeitos, e gerações de alunos de física têm saído da escola sem serem capazes de explicá-los de forma correta.

E isso apesar desses efeitos fazerem parte do nosso dia-a-dia. Por exemplo, a mudança na velocidade do tempo entre a superfície do planeta e o espaço exige correções constantes para os satélites artificiais da constelação GPS.

Relatividade do tempo

Agora, cientistas do laboratório NIST, nos Estados Unidos, conseguiram pela primeira vez medir o fenômeno em uma escala bem humana, de meros 33 centímetros, eventualmente abrindo caminho para que os estudantes finalmente possam compreendê-lo com mais facilidade.

Com isto, será possível, por exemplo, provar que alguém envelhece mais rapidamente se estiver alguns degraus mais alto na escada – ainda que o efeito seja pequeno demais para ser percebido diretamente por um ser humano.

Mesmo mudar-se para o alto de uma montanha não produziria efeito suficiente para aumentar a expectativa de vida de alguém de maneira significativa – na escala usada pelos cientistas, de 33 centímetros, o efeito da mudança na passagem do tempo acrescentaria cerca de 25 bilionésimos de segundo a alguém que vivesse 80 anos.

O experimento também permitiu que os pesquisadores checassem outro aspecto da relatividade – que o tempo passa mais lentamente quando você se move mais a uma velocidade maior.

Trazido às dimensões humanas, o aparato dispensou as naves espaciais e permitiu a verificação do efeito usando um carro rodando a uma velocidade de 32 quilômetros por hora.

Encontrado robô soviético perdido na Lua há 40 anos

Os robôs soviéticos Lunokhod 1 e 2 mediam 2,3 metros de comprimento por 1,5 metro de altura. Os dois levavam uma carga extremamente preciosa para os cientistas: um refletor de laser que é um elemento essencial para pesquisas sobre a Teoria da Relatividade de Einstein.(Imagem: UCSD)

Lunokhod e seu refletor

Uma equipe de físicos e astrônomos localizou o robô soviético Lunokhod 1, enviado para a Lua na missão Luna 17, da extinta União Soviética, há mais de 40 anos.

Várias equipes de cientistas ao redor do mundo rastrearam o robô inúmeras vezes, interessados em uma carga extremamente preciosa que ele levava a bordo, um refletor de laser que é um elemento essencial para pesquisas sobre a Teoria da Relatividade de Einstein.

A sonda Luna 17 pousou na Lua no dia 17 de Novembro de 1970, liberando o Lunokhod 1, que fez suas pesquisas até o dia 14 de Setembro de 1971, quando os cientistas soviéticos perderam contato com ele.

Perdido na Lua

Nenhuma das equipes teve sucesso em localizar o robô e seu refletor, e a maioria dos cientistas havia desistido de encontrar o Lunokhod 1. Menos a equipe do Dr. Tom Murphy, da Universidade da Califórnia, em San Diego.

Suas expectativas aumentaram quando a sonda LRO, da NASA, começou a enviar imagens de alta resolução da Lua, que permitiram visualizar os restos da missão Apollo.

O Lunokhod 1 foi localizado em uma das imagens como um pequeno ponto iluminado, a quilômetros de distância de onde os cientistas procuravam, com base em cálculos que levavam em conta o local de pouso da Luna 17 e os registros dos últimos sinais de rádio enviados pelo robô.

“Acontece que estávamos procurando cerca de uma milha da posição real do robô,” disse Murphy. “Nós conseguíamos varrer apenas uma região do tamanho de um campo de futebol de cada vez. As imagens recentes da LRO, juntamente com a altimetria laser da superfície, nos deram coordenadas com precisão de 100 metros. Então tivemos que esperar apenas até termos o telescópio em boas condições de observação.”

O Lunokhod 1 foi localizado em uma das imagens da LRO como um pequeno ponto iluminado, a quilômetros de distância de onde os cientistas procuravam, com base em cálculos que levavam em conta o local de pouso da Luna 17 e os registros dos últimos sinais de rádio enviados pelo robô. (Imagem: NASA/GSFC/Arizona State University)

Refletores de laser na Lua

Os cientistas procuram por desvios na teoria da relatividade geral de Einstein medindo o formato da órbita lunar com uma precisão de um milímetro.

Isto é feito medindo o tempo que leva para que a luz de um laser disparado da superfície da Terra reflita-se em refletores ópticos deixados na Lua pelos astronautas da missão Apollo.

A temporização precisa da reflexão do laser permite o cálculo da distância e o desenho da órbita da Lua com grande precisão.

“Nós utilizamos os três refletores instalados na Lua pelas missões Apollo 11, 14 e 15,” explica Murphy, “e, ocasionalmente, o refletor a bordo do robô soviético Lunokhod 2, embora ele não funcione bem o suficiente quando está iluminado pela luz solar.”

Centro da Lua

Mas há grandes vantagens em contar com um quinto refletor, e é por isso que a busca pelo Lunokhod 1 ocupou tantos cientistas ao longo dos últimos 40 anos.

São necessários três refletores para determinar a orientação da lua. Um quarto acrescenta informações sobre a distorção imposta pelas marés, e um quinto daria informações precisas sobre o ponto no espaço equivalente ao centro da Lua.

“O Lunokhod 1, devido à sua localização, alavancaria a compreensão do núcleo líquido da Lua, e nos daria uma estimativa precisa da posição do centro da Lua, que é de suma importância para mapear sua órbita e testar a teoria da gravidade de Einstein,” explica Murphy.

As primeiras observações permitiram determinar a posição do refletor com precisão de um centímetro. Os cientistas esperam melhorar essas medições ao longo dos próximos meses, para dar a precisão necessária aos estudos da teoria da relatividade.

Teoria de Einstein derruba dois competidores

A região estudada pelos cientistas cobre uma área do céu de 29 arcominutos (cerca de 5 milhões de anos-luz). Imagem: X-ray (NASA/CXC/SAO/A. Vikhlinin; ROSAT), Optical (DSS), Radio (NSF/NRAO/VLA/IUCAA/J.Bagchi)

Dois novos estudos independentes puseram a Teoria da Relatividade Geral de Einstein à prova como nunca fora feito antes.

Os experimentos, feitos com a ajuda do Telescópio Espacial Chandra, da NASA, que observa o Universo na frequência dos raios X, mostraram, talvez sem muita surpresa, que a teoria de Einstein ainda é a melhor ferramenta disponível para entender o Universo.

Teorias alternativas da gravidade

As duas equipes de cientistas usaram extensas observações de aglomerados de galáxias, os maiores objetos do Universo unidos pela gravidade.

Um dos resultados questiona um modelo da gravidade concorrente com a Relatividade Geral, enfraquecendo os argumentos da hipótese conhecida como “gravidade f(R)”.

O outro estudo mostra que a teoria de Einstein funciona para uma vasta gama de tempos e distâncias em todo o cosmos.

“Se a Relatividade Geral é o campeão dos pesos-pesados, esta outra teoria estava tentando ser o desafiante,” disse Fabian Schmidt, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, que liderou o estudo. “Nosso trabalho mostra que suas chances de vir a superar o atual campeão são muito pequenas.”

Aceleração da expansão do universo

Nos últimos anos, os físicos têm voltado sua atenção para as teorias concorrentes à Relatividade Geral em busca de uma possível explicação para a aceleração da expansão do universo.

Atualmente, a explicação mais popular para a expansão acelerada do Universo é a chamada constante cosmológica, que pode ser entendida como a energia que existe no espaço vazio.

Esta energia é denominada energia escura para enfatizar que ela não pode ser detectada diretamente.

Gravidade f(R)

No teoria f(R), a aceleração cósmica não vem de uma forma exótica de energia, mas de uma modificação da força gravitacional. A força modificada também afeta a taxa na qual pequenos aglomerados de matéria podem crescer ao longo das eras para se tornarem grandes aglomerados de galáxias, abrindo a possibilidade de um teste da teoria.

Schmidt e seus colegas usaram as estimativas de massa de 49 aglomerados de galáxias no Universo local, a partir de observações do Chandra, e compararam-nas com as previsões do modelo teórico, com estudos de supernovas, da radiação cósmica de fundo e da distribuição em grande escala das galáxias.

Eles não encontraram nenhuma evidência de que a gravidade seja diferente do previsto pela Relatividade Geral em escalas maiores do que 130 milhões de anos-luz. Este limite corresponde a uma melhoria de cem vezes sobre os limites do alcance da força gravitacional modificada que podem ser estabelecidos sem o uso dos dados dos aglomerados galácticos.

“Esta é a mais forte restrição já feita sobre uma teoria alternativa para a Relatividade Geral nessas grandes escalas de distância”, disse Schmidt. “Nossos resultados mostram que podemos sondar rigorosamente a gravidade em escalas cosmológicas por meio das observações de aglomerados de galáxias.”

A razão para esse ganho dramático em precisão é a forte atuação da gravidade sobre os aglomerados galácticos, em contraste com a expansão universal de fundo. A técnica também promete ser um bom teste de outros cenários modificados da gravidade, como os modelos fundamentados em teorias de várias dimensões e na teoria das cordas.

Relatividade Geral em escala cósmica

O segundo estudo, sem ligação com o primeiro, também reforça o poder explicativo da Relatividade Geral ao testá-la diretamente através de distâncias e tempos cosmológicos.

Até agora, a Relatividade Geral tinha sido testada somente através de experimentos de laboratório para as escalas do Sistema Solar, deixando a porta aberta para a possibilidade de que a Relatividade Geral não funcionasse em escalas muito maiores.

O grupo da Universidade de Stanford comparou as observações do Chandra de quão rapidamente os aglomerados de galáxias têm crescido ao longo do tempo, com as previsões da Relatividade Geral.

O resultado é uma concordância quase perfeita entre a observação e a teoria.

“A teoria de Einstein teve sucesso de novo, desta vez no cálculo de quantos aglomerados maciços se formaram pela atração gravitacional ao longo dos últimos cinco bilhões de anos,” disse David Rapetti, que liderou o estudo. “Os nossos resultados representam o teste de consistência da Relatividade Geral mais robusto já realizado em escalas cosmológicas.”

Aglomerados de galáxias

Os aglomerados de galáxias são objetos importantes na busca por uma maior compreensão do Universo. Como as observações da massa dos aglomerados de galáxias são diretamente sensíveis às propriedades da gravidade, elas fornecem informações cruciais.

Outras técnicas, como as observações de supernovas ou a distribuição das galáxias ao longo de distâncias cósmicas, dependem apenas da taxa de expansão do universo.

Já a técnica utilizada por Rapetti e seus colegas mede também a taxa de crescimento da estrutura cósmica, que é dirigida pela gravidade.

“A aceleração cósmica representa um grande desafio para a nossa compreensão da física,” disse Adam Mantz, do Centro Espacial Goddard, da NASA, coautor do estudo. “As medições da aceleração têm destacado o quão pouco sabemos sobre a gravidade em escalas cósmicas, mas agora estamos começando a empurrar a nossa ignorância para mais longe.”

Do Inovação Tecnológica

Bibliografia:

Constraints on Cosmology and Gravity from the Growth of X-ray Luminous Galaxy Clusters
Adam Mantz, Steve W. Allen, David Rapetti, Harald Ebeling, A. Drlica-Wagner
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
October 6, 2009
Vol.: In Press

Cluster constraints on f(R) gravity
Fabian Schmidt, Alexey Vikhlinin, Wayne Hu
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Vol.: 80, 083505

Estudo de galáxias valida Teoria da Relatividade em escala cósmica

Mapa parcial da distribuição das galáxias feito pelo Sloan Digital Sky Survey, alcançando uma distância de 7 bilhões de anos-luz.(Imagem: M. Blanton, Sloan Digital Sky Survey)

Teoria da Relatividade (cosmicamente) Geral

Depois de analisar mais de 70 mil galáxias, um grupo internacional de físicos concluiu que o Universo funciona de acordo com as regras descritas há quase 100 anos por Albert Einstein – tanto nas proximidades da Terra como a mais de 3,5 bilhões de anos-luz de distância.

Ao calcular a união dessas galáxias, que formam aglomerados e se estendem por quase um terço da distância até o virtual limite do Universo, e ao analisar as velocidades e distorções desse fenômeno, os pesquisadores demonstraram que a Teoria da Relatividade Geral se aplica ao que ocorre em escala cósmica.

Teorias alternativas

Outra consequência direta do estudo é que a existência de matéria escura é a explicação mais provável para a constatação de que as galáxias e os aglomerados se movem pela influência de algo a mais do que é possível observar.

“Uma consequência interessante ao lidar com escalas cosmológicas é que podemos testar qualquer teoria completa e alternativa da gravidade, porque ela deveria prever as coisas que observamos”, disse Uros Seljak, professor na Universidade da Califórnia em Berkeley, nos Estados Unidos, e no Instituto de Física Teórica da Universidade de Zurique, na Suíça, um dos autores do estudo.

“As teorias alternativas que não requerem matéria escura não passaram nos testes”, disse Seljak. Uma delas é a teoria da gravidade tensor-vetor-escalar (TeVeS), que modifica a relatividade geral ao evitar contemplar a existência da matéria escura.

O novo estudo contradiz um outro divulgado no ano passado que indicou que o Universo em seu início, entre 11 e 8 bilhões de anos atrás, não poderia se encaixar na descrição relativística geral da gravidade.

O novo trabalho foi publicado na edição desta quinta-feira (11/3) da revista Nature e tem como um dos autores James Gunn, professor de física na Universidade Princeton e “pai” do Sloan Digital Sky Survey, projeto iniciado em 2000 que pretende mapear um quarto do céu, observando mais de 100 milhões de objetos.

Teste da Teoria da Relatividade

De acordo com a Teoria da Relatividade Geral, publicada por Einstein em 1915, a matéria (energia) curva o espaço e o tempo à sua volta – a gravitação é um efeito da geometria do espaço-tempo.

Isso significa que a luz se curva à medida que passa por um objeto de grande massa, como o núcleo de uma galáxia. A teoria foi validada muitas vezes na escala do Sistema Solar, mas testes em escala galáctica ou cósmica até então se mostraram inconclusivos.

Tais testes se tornaram importantes nas últimas décadas porque a ideia de que uma massa invisível permeia todo o Universo foi combatida por diversos físicos teóricos, levando a teorias alternativas que alteraram a relatividade geral de modo a não contemplar a existência de matéria escura. Alguns poucos pesquisadores chegam a defender que a Teoria da Relatividade é ideologia, e não ciência.

A teoria TeVeS, por exemplo, estipula que a aceleração causada pela força gravitacional de um determinado corpo depende não apenas da massa desse corpo, mas também do valor da aceleração promovida pela gravidade.

Energia escura

A descoberta da energia escura, a força misteriosa que causa a expansão acelerada do Universo, levou à formulação de outras teorias para explicar a expansão sem levar em conta a energia escura, cuja existência ainda é hipotética.

Segundo Seljak, testes para comparar teorias concorrentes não são fáceis. Experimentos cosmológicos, como detecções da radiação cósmica do fundo em micro-ondas, tipicamente envolvem medir flutuações no espaço, enquanto teorias gravitacionais estimam relações entre densidade e velocidade, ou entre densidade e potencial gravitacional.

“O problema é que o tamanho da flutuação, por ele mesmo, não nos diz coisa alguma sobre as teorias cosmológicas que estão por trás. Trata-se essencialmente de uma perturbação da qual gostaríamos de nos livrar”, disse.

Ao usar dados de mais de 70 mil galáxias vermelhas distantes, obtidos pelo Sloan Digital Sky Survey, Seljak e colegas verificaram que a teoria TeVeS mostrou resultados além dos limites de erro estabelecidos. A Teoria da Relatividade Geral se encaixou dentro do limite.

Os pesquisadores pretendem reduzir a margem de erro e, para isso, querem ampliar o escopo da análise para 1 milhão de galáxias. A quantidade será possível com a entrada em operação do projeto Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, previsto para daqui a cinco anos.

Bibliografia:

Confirmation of general relativity on large scales from weak lensing and galaxy velocities
Reinabelle Reyes, Rachel Mandelbaum, Uros Seljak, Tobias Baldauf, James E. Gunn, Lucas Lombriser, Robert E. Smith
Nature Physics
11 March 2010
Vol.: 464, 256-258
DOI: 10.1038/nature08857