A gravidade é a força que mantém nossos pés no chão.

A NASA usou um Lunar Landing Walking Simulator para estudar a capacidade dos astronautas de realizar tarefas enquanto experimentavam um sexto da gravidade normal em preparação para os pousos lunares da Apollo. Crédito da imagem: NASA

A gravidade é uma das forças fundamentais do universo e domina cada momento de nossa experiência consciente. Ela nos mantém sobre do chão, arrasta bolas de beisebol e basquete para fora do ar e dá aos nossos músculos algo contra o que lutar. Cosmicamente, a gravidade é tão importante quanto. 

Desde o colapso de nuvens de hidrogênio em estrelas até a influência de galáxias, a gravidade representa um dos poucos jogadores que determinam os grandes traços da evolução do universo.

De certa forma, a história da gravidade é também a história da física, com alguns dos maiores nomes do campo ganhando fama ao definir a força que governava suas vidas. Mas mesmo depois de mais de 400 anos de estudo, a força enigmática ainda está no centro de alguns dos maiores mistérios da disciplina.

GRAVIDADE: UMA FORÇA UNIVERSAL

As quatro forças fundamentais atuam sobre nós todos os dias. A força forte e a força fraca operam apenas dentro dos centros dos átomos. A força eletromagnética governa objetos com excesso de carga (como elétrons, prótons e meias se arrastando sobre um tapete felpudo), e a gravidade orienta objetos com massa. 

As três primeiras forças escaparam em grande parte do conhecimento da humanidade até séculos recentes, mas as pessoas há muito especulam sobre a gravidade, que atua em tudo, de gotas de chuva a balas de canhão. 

Os antigos filósofos gregos e indianos observaram que os objetos se moviam naturalmente em direção ao solo, mas seria preciso um lampejo de percepção de Isaac Newton para elevar a gravidade de uma tendência inescrutável dos objetos a um fenômeno mensurável e previsível. 

O salto de Newton, que se tornou público em seu tratado de 1687 "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica", foi perceber que todos os objetos no universo, de um grão de areia às maiores estrelas, puxavam todos os outros objetos. Essa noção unificou eventos que pareciam não relacionados, desde maçãs caindo na Terra até planetas orbitando o sol. Ele também colocou números para a atração: Dobrar a massa de um objeto torna sua atração duas vezes mais forte, ele determinou que aproximar dois objetos duas vezes mais quadruplica seu puxão mútuo. Newton reuniu essas ideias em sua lei universal da gravitação.  

O QUE CAUSA A GRAVIDADE?

Corpos maciços distorcem o tecido do espaço e do tempo ao seu redor, levando a objetos próximos seguindo um caminho curvo. A ilustração deste artista mostra a gravidade dobrando o espaço-tempo do tecido ao redor da Terra e do Sol. Crédito da imagem: vch

A descrição da gravidade de Newton foi precisa o suficiente para detectar a existência de Netuno em meados de 1800 antes que alguém pudesse vê-lo, mas a lei de Newton não é perfeita. Em 1800, os astrônomos notaram que a elipse traçada pela órbita de Mercúrio estava se movendo mais rapidamente ao redor do Sol do que a teoria de Newton previa, sugerindo uma ligeira incompatibilidade entre sua lei e as leis da natureza. O quebra-cabeça foi finalmente resolvido pela teoria da relatividade geral de Albert Einstein, publicada em 1915. 

Antes de Einstein publicar sua teoria inovadora, os físicos sabiam como calcular a força gravitacional de um planeta, mas sua compreensão de por que a gravidade se comportava dessa maneira avançou pouco além da dos antigos filósofos. Esses cientistas entenderam que todos os objetos atraem todos os outros com uma força instantânea e de alcance infinito, como Newton havia postulado, e muitos físicos da era Einstein se contentaram em deixar por isso mesmo. Mas enquanto trabalhava em sua teoria da relatividade especial, Einstein havia determinado que nada poderia viajar instantaneamente, e a força da gravidade não deveria ser exceção. 

Durante séculos, os físicos trataram o espaço como uma estrutura vazia contra a qual os eventos se desenrolavam, de acordo com a Enciclopédia de Filosofia de Stanford. Era absoluto, imutável e não existia, em nenhum sentido físico, realmente. A relatividade geral promoveu o espaço, e também o tempo, de um pano de fundo estático para uma substância um tanto parecida com o ar de uma sala. Einstein sustentou que o espaço e o tempo juntos compunham o tecido do universo e que esse material do "espaço-tempo" podia esticar, comprimir, torcer e girar, arrastando tudo nele para o passeio.

Einstein sugeriu que a forma do espaço-tempo é o que dá origem à força que experimentamos como gravidade. Uma concentração de massa (ou energia), como a Terra ou o Sol, dobra o espaço ao seu redor como uma rocha dobra o fluxo de um rio. Quando outros objetos se movem nas proximidades, eles seguem a curvatura do espaço, como uma folha pode seguir um redemoinho ao redor da rocha (embora essa metáfora não seja perfeita porque, pelo menos no caso de planetas orbitando o sol, o espaço-tempo não está "fluindo"). Vemos planetas orbitando e maçãs caindo porque estão seguindo caminhos através da forma distorcida do universo. Em situações cotidianas, essas trajetórias correspondem à força que a lei de Newton prevê.

As equações de campo da relatividade geral de Einstein, uma coleção de fórmulas que ilustram como matéria e energia distorcem o espaço-tempo, ganharam aceitação quando previram com sucesso as mudanças na órbita de Mercúrio, bem como a curvatura da luz das estrelas ao redor do sol durante o eclipse solar de 1919. 

GRAVIDADE: UMA FERRAMENTA DE DESCOBERTA

A descrição moderna da gravidade prevê com tanta precisão como as massas interagem que se tornou um guia para descobertas cósmicas. 

Os astrônomos americanos Vera Rubin e Kent Ford notaram na década de 1960 que as galáxias parecem girar rápido o suficiente para a rotação das estrelas, como um cachorro sacode gotas de água. Mas como as galáxias que eles estudaram não estavam se separando, algo parecia estar ajudando-as a se manterem juntas. As observações minuciosas de Rubin e Ford forneceram fortes evidências que apoiam a teoria anterior do astrônomo suíço Fritz Zwicky, proposta na década de 1930, de que alguma variedade invisível de massa estava acelerando galáxias em um aglomerado próximo. A maioria dos físicos agora suspeita que essa misteriosa "matéria escura" distorce o espaço-tempo o suficiente para manter as galáxias e os aglomerados de galáxias intactos. Outros, no entanto, se perguntam se a própria gravidade pode puxar mais em escalas de galáxias, nesse caso, tanto as equações de Newton quanto as de Einstein precisariam de ajuste.

Ajustes na relatividade geral teriam que ser delicadas, já que pesquisadores começaram recentemente a detectar uma das previsões mais sutis da teoria: A existência de ondas gravitacionais, ou ondulações no espaço-tempo, causadas pela aceleração de massas no espaço. Desde 2016, uma colaboração de pesquisa operando três detectores nos Estados Unidos e na Europa mediu várias ondas gravitacionais passando pela Terra. Mais detectores estão a caminho, lançando uma nova era da astronomia na qual os pesquisadores estudam buracos negros distantes e estrelas de nêutrons, não pela luz que emitem, mas pela forma como ressoam no tecido do espaço quando colidem.

No entanto, a série de sucessos experimentais da relatividade geral encobre o que muitos físicos veem como um fracasso teórico fatal: Descreve um espaço-tempo clássico, mas o universo, em última análise, parece ser quântico ou composto de partículas (ou "quanta"), como quarks e elétrons.

A noção clássica de espaço (e gravidade) como um tecido liso colide com a imagem quântica do universo como uma coleção de pedacinhos pontiagudos. Como estender o atual Modelo Padrão da física de partículas, que abrange todas as partículas conhecidas, bem como as outras três forças fundamentais (eletromagnetismo, a força fraca e a força forte), para cobrir o espaço e a gravidade no nível das partículas continua sendo um dos mistérios mais profundos da física moderna. 

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RECURSOS ADICIONAIS

• Assista a este vídeo explicando a gravidade newtoniana, do Crash Course da PBS Digital Media. 
• Saiba mais sobre a gravidade e como funcionam as deformações e ondulações no espaço, da Academia Australiana de Ciências. 
• Leia a explicação do astrofísico Ethan Siegel sobre como a gravidade dobra (e desdobra) o espaço, gerando ondas gravitacionais no Medium.

BIBLIOGRAFIA

• Head, Keith. "Gravidade para iniciantes." Universidade da Colúmbia Britânica (2003).
• Poisson, Eric e Clifford M. Will. "Gravidade." Imprensa da Universidade de Cambridge (2014).
• Por que a gravidade nos puxa para baixo e não para cima? Mario Borunda, Gaia Ciência (2021).

— Este artigo foi atualizado em 14 de abril de 2022 pelo editor da Gaia Ciência

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Referência:

WOOD, Charlie. Gravity: What is it? Space, Nova Yorke, 13, abr. 2022. Referência. Disponível em: <https://www.space.com/classical-gravity.html>. Acesso em: 14, abr. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.