UM POUCO DE RELATIVIDADE GERAL E COSMOLOGIA.

Desde a apresentação ao mundo de uma das mais famosas teorias científicas, a Teoria da Relatividade Geral (TRG), nossa visão de universo tem sido amplamente melhorada e nosso conhecimento sobre o cosmos saltou de uma temerária posição única no universo conhecido a um “lugar” tão grande que temos que usar notação científica, dado que nosso cérebro, ligado ao mundo newtoniano, não consegue entender toda a magnitude.

SDSS J103842.59+484917.7 ou simplesmente “gato sorridente” é um grupo de galáxias que tem uma semelhança de um felino sorrindo. Ela é dominantemente formada por 2 elípticas, cercada por quatro arcos, formado por galáxias ao fundo. Esses arcos aparecem devido ao efeito de lentes gravitacionais. Cada “galáxia-olho” visto é a galáxia mais brilhante do grupo que está indo em direção a outra numa velocidade de 480 milhões de Km/h. Está a 4,6 bilhões de anos-luz de distância da Terra. Fonte: http://chandra.harvard.edu/photo/2015/cheshirecat/ e o artigo, no final: http://arxiv.org/pdf/1505.05501v1.pdf. Fonte: Judy Schmidt

SDSS J103842.59+484917.7 ou simplesmente “gato sorridente” é um grupo de galáxias que tem uma semelhança de um felino sorrindo. Ela é dominantemente formada por 2 elípticas, cercada por quatro arcos, formado por galáxias ao fundo. Esses arcos aparecem devido ao efeito de lentes gravitacionais. Cada “galáxia-olho” visto é a galáxia mais brilhante do grupo que está indo em direção a outra numa velocidade de 480 milhões de Km/h. Está a 4,6 bilhões de anos-luz de distância da Terra. Fonte: Chandra e artigo.

Tudo começa (ou termina) em uma palestra dada pelo Lord Kelvin (o mesmo que criou a escala Kelvin de temperatura) proferida no fim do século 19. Parafraseando, o que se tinha de entendimento na época é que, dado o sucesso de explicação da mecânica clássica (a que explica todo o mundo newtoniano, indo de movimento de corpos ao eletromagnetismo), não haveria nada de novo a ser descoberto em física, apenas melhorar, cada vez mais, as precisões do que já tinham sido feitas. Outra frase, atribuída a ele e que soa como um mito (SBFisica) é que haveria apenas 2 nuvens ou problemas a serem resolvidos. Um deles deu origem a mecânica quântica e o outro a relatividade.

A mecânica quântica foi inicialmente proposta, em 1900, por Max Planck no auge dos seus 42 anos, mas teve várias modificações/atualizações até meados da década de 1940, indo de Einstein com o efeito fotoelétrico (onde rendeu-lhe o único Nobel de Física em 1922), passando pelo modelo de Bohr (até hoje estudado no Ensino Médio), seguindo pelas equações de Schroedinger, Heisenberg, Dirac e pelas famosas integrais de caminho (Path Integrals) de Feynmann.

Já a outra nuvem resolvida (ou aumentada) é a da relatividade. No famoso Annus Mirabilis de 1905.

A física quântica trata de tudo que é minúsculo, indo de átomos às partículas elementares. Já a relatividade trata de tudo que é muito rápido e muito grande. Ela se divide em Teoria da Relatividade Especial (TRE) ou restrita e Relatividade Geral.

No famoso Annus Mirabilis de 1905, Einstein publicou uma série de 5 artigos sobre algumas questões de física, entre eles a da relatividade especial (esse nome de relatividade não foi dado por ele). Na TRE quando um objeto viaja a velocidades relativísticas (percentuais da velocidade da luz (constante c), que é de 299.792.458 m/s), há alguns efeitos estranhos ao nosso mundo, como dilatação do tempo e contração do espaço. Mas, não incluía a gravidade.

Em 1915/16 Einstein dá uma palestra e publica o artigo sobre uma generalização da TRE, ou seja, uma aplicação na gravidade, para que se tenha uma espécie de TRE para a gravidade. E assim, nasce a conhecida TRG: uma relatividade generalizada que abarca a gravidade.

Até 1919 no famoso eclipse solar que foi acompanhado em Sobral – CE, Albert Einstein era apenas um cientista “comum”, sem nenhum conhecimento pelo público em geral. Mas, depois da primeira comprovação observacional de sua teoria por Eddington, mais e mais pessoas acabaram conhecendo a TRG e suas implicações cosmológicas.

A famosa equação de Einstein:

Fonte: UFRGS

Fonte: UFRGS

Que pode ter soluções diversas (é uma equação que envolve tensores, derivadas etc). Uma delas diz como um buraco negro esfericamente simétrico se comporta (solução de Schwarzschild), outra diz como o espaço-tempo teria ondas (as ondas gravitacionais detectadas ano passado e que foram divulgadas esse ano), dentre muitas outras.

Ao longo de todo o século 20 tivemos inúmeras descobertas observacionais que comprovaram a validade da equação de Einstein em diversas soluções. Vimos buracos negros (não diretamente, pois não emitem radiação), desde os estelares aos supermassivos, observamos afastamento de galáxias mostrando que o universo está se expandindo (primeiramente com Hubble, na década de 1920 e depois uma expansão acelerada em 1998), detectamos as famosas radiações cósmica de fundo (CMB) que mostraram que houve um Big Bang e já no século 21 as descobertas não pararam, inclusive há menos de 1 mês “olhamos” as ondas gravitacionais passando pelos detectores do Advanced LIGO.

Mas, a história não é completamente feliz. Apesar de todas as descobertas, todos os experimentos de quântica, todas as observações galácticas e todo o nosso aparato tecnológico, indo do LHC com suas inúmeras descobertas (pentaquarks, bóson de Higgs, partículas que ainda não sabemos muito bem o que são) ao Planck (satélite de observação de radiação), passando pelo Hubble e suas maravilhosas fotos de galáxias que surgiram com poucos meros 600 milhões de anos apos o nascimento do universo, falta muito a ser descoberto.

Dentre os vários problemas a serem solucionados, alguns advém dos dados, publicados de forma completa em fevereiro de 2015, do Planck (missão espacial da ESA com participação da Nasa): nosso universo tem 13,82 bilhões de anos, com 68,3% de energia escura, 26,8% de matéria escura e apenas 4,9% é matéria / energia de tudo o que vemos (galáxias, estrelas, poeira). No site pode-ser ver mais detalhadamente esses números.

Fonte: inSpired

Fonte: inSpired

Isso significa que, apesar de termos um grande conhecimento científico, um enorme arcabouço teórico no campo da matemática e da física, ainda não conseguimos explicar tudo o que acontece no universo. Diversos estudos, no campo da cosmologia, estão sendo tratados, por exemplo: teoria de supercordas, teoria de gravitação em Loops, teleparalelismo equivalente a TRG e várias outras. Enormes aparatos tecnológicos estão em operação, como LHC, Hubble, Chandra e vários outros ainda virão, como o Telescópio James Webb, LISA e outros.

Com toda essa produção científica, vimos vários eventos, como possibilidade de uma assinatura em aniquilação de matéria escura (Phys.org, 2016), um berço de futuras estrelas (Phys.org, 2016), estrelas extremamente gigantes (Phys.org, 2016), além de magnetar emitindo explosão comparável ao brilho de supernova (Phys.org, 2016).

No ínicio do site da UFRGS há várias outras informações sobre astronomia, astrofísica e cosmologia. Para uma leitura mais didática com linguagem acessível e formal. Vale aqui uma indicação ao livro “Introduction to cosmology” de Barbara Ryden.

Uma melhor introdução, com as soluções e as previsões da TRG, é apresentada no livro “Gravity: an introduction to Einstein’s General Relativity” de James B. Hartle. Para uma leitura bem mais completa e mais detalhada sobre a TRG e uma formalização melhor sobre os fenomenos cosmológicos, indica-se o livro “Spacetime and geometry: an introduction to General Relativity” de Sean Carroll.

Tradução: Alexandre Fernandes,  graduado em física. 

Palavras chave: NetNature, Alexandre, Relatividade Geral, Relatividade Especial, Mecânica Quântica, Cosmologia.

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