Uma explicação simples da estrutura do espaço-tempo.

A estrutura do espaço-tempo é um modelo conceitual que combina as três dimensões do espaço com a quarta dimensão do tempo. De acordo com as melhores teorias físicas atuais, o espaço-tempo explica os efeitos relativísticos incomuns que surgem de viajar perto da velocidade da luz, bem como do movimento de objetos massivos no universo. 

O espaço-tempo é o modelo conceitual que melhor explica como o universo funciona. Crédito da imagem: Shutterstock

Quem descobriu o espaço-tempo? 

O famoso físico Albert Einstein ajudou a desenvolver a ideia de espaço-tempo como parte de sua teoria da relatividade. Antes de seu trabalho pioneiro, os cientistas tinham duas teorias distintas para explicar os fenômenos físicos: as leis da física de Isaac Newton descreviam o movimento de objetos massivos, enquanto os modelos eletromagnéticos de James Clerk Maxwell explicavam as propriedades da luz, de acordo com a NASA.

Veja Também:

Os 18 maiores mistérios não resolvidos da física

10 coisas cruciais que resultam das teorias da relatividade de Einstein

Físicos alemães dizem que são possíveis buracos de minhoca atravessáveis 

Mas experimentos conduzidos no final do século 19 sugeriram que havia algo especial na luz. As medições mostraram que a luz sempre viajou na mesma velocidade, não importa o quê. E em 1898, o físico e matemático francês Henri Poincaré especulou que a velocidade da luz poderia ser um limite insuperável. Na mesma época, outros pesquisadores estavam considerando a possibilidade de os objetos mudarem de tamanho e massa, dependendo de sua velocidade.

Einstein reuniu todas essas ideias em sua teoria da relatividade especial de 1905, que postulava que a velocidade da luz era uma constante. Para que isso fosse verdade, o espaço e o tempo tiveram que ser combinados em uma única estrutura que conspirou para manter a velocidade da luz igual para todos os observadores.

A teoria da relatividade especial de Einstein postulava que a velocidade da luz era constante porque a luz sempre viaja na mesma velocidade. Crédito da imagem: Shutterstock

Uma pessoa em um foguete super rápido medirá o tempo para se mover mais devagar e os comprimentos dos objetos a serem mais curtos em comparação com uma pessoa viajando a uma velocidade muito mais lenta. Isso porque o espaço e o tempo são relativos, eles dependem da velocidade do observador. Mas a velocidade da luz é mais fundamental do que qualquer um. 

A conclusão de que o espaço-tempo é um tecido único não foi a que Einstein chegou sozinho. Essa ideia veio do matemático alemão Hermann Minkowski, que disse em um colóquio de 1908: "Doravante o espaço por si só, e o tempo por si só, estão condenados a desaparecer em meras sombras, e apenas uma espécie de união dos dois preservará uma realidade independente."

O espaço-tempo que ele descreveu ainda é conhecido como espaço-tempo de Minkowski e serve como pano de fundo para cálculos na relatividade e na teoria do campo quântico. Este último descreve a dinâmica das partículas subatômicas como campos, de acordo com o astrofísico e escritor científico Ethan Siegel.

Como funciona o espaço-tempo 

Hoje em dia, quando as pessoas falam sobre espaço-tempo, muitas vezes a descrevem como se fosse uma folha de borracha. Isso também vem de Einstein, que percebeu, ao desenvolver sua teoria da relatividade geral, que a força da gravidade era devida a curvas na estrutura do espaço-tempo. 

Objetos enormes, como a Terra, o sol ou você, criam distorções no espaço-tempo que o fazem dobrar. Essas curvas, por sua vez, restringem as maneiras pelas quais tudo no universo se move, porque os objetos têm que seguir caminhos ao longo dessa curvatura deformada. O movimento devido à gravidade é, na verdade, movimento ao longo das voltas e reviravoltas do espaço-tempo. 

Uma missão da NASA chamada Gravity Probe B (GP-B) mediu a forma do vórtice espaço-tempo ao redor da Terra em 2011 e descobriu que está de acordo com as previsões de Einstein.

Mas muito disso continua difícil para a maioria das pessoas compreender. Embora possamos discutir o espaço-tempo como sendo semelhante a uma folha de borracha, a analogia eventualmente se desfaz. Uma folha de borracha é bidimensional, enquanto o espaço-tempo é quadridimensional. Não são apenas dobras no espaço que a folha representa, mas também dobras no tempo. As equações complexas usadas para explicar tudo isso são difíceis de resolver até mesmo para os físicos. 

"Einstein fez uma bela máquina, mas ele não nos deixou exatamente um manual do usuário", escreveu o astrofísico Paul Sutter. "Só para deixar claro o ponto, a relatividade geral é tão complexa que, quando alguém descobre uma solução para as equações, obtém o nome da solução em sua homenagem e se torna semilendária por si só."

A maneira mais simples de entender a estrutura do espaço-tempo é imaginar uma folha curva de borracha que direciona como tudo no universo se move. Mas a analogia não é totalmente precisa porque o espaço-tempo tem quatro dimensões, enquanto uma folha de borracha tem apenas duas.  Crédito da imagem: Shutterstock

O que os cientistas ainda não sabem

Apesar de sua complexidade, a relatividade continua sendo a melhor maneira de explicar os fenômenos físicos que conhecemos. Mesmo assim, os cientistas sabem que seus modelos estão incompletos porque a relatividade ainda não está totalmente reconciliada com a mecânica quântica, que explica as propriedades das partículas subatômicas com extrema precisão, mas não incorpora a força da gravidade. 

A mecânica quântica se baseia no fato de que os pequenos pedaços que constituem o universo são discretos ou quantizados. Portanto, os fótons, as partículas que constituem a luz, são como pequenos pedaços de luz que vêm em pacotes distintos.

Alguns teóricos especularam que talvez o próprio espaço-tempo também venha nesses blocos quantizados, ajudando a unir a relatividade e a mecânica quântica. Pesquisadores da Agência Espacial Europeia propuseram a missão do Laboratório Internacional de Astronomia de Raios Gama para Exploração Quântica do Espaço-Tempo (GrailQuest), que voaria ao redor do nosso planeta e faria medições ultra-precisas de explosões distantes e poderosas chamadas de rajadas de raios gama que poderia revelar a natureza próxima do espaço-tempo. 

Essa missão não seria lançada por pelo menos uma década e meia, mas, se fosse, talvez ajudasse a resolver alguns dos maiores mistérios que ainda existe na física.

♦ Todos os artigos baseados em tópicos são determinados por verificadores de fatos como corretos e relevantes no momento da publicação. Texto e imagens podem ser alterados, removidos ou adicionados como uma decisão editorial para manter as informações atualizadas.

Recursos adicionais:

• Leia mais sobre o espaço-tempo de Einstein na Sonda Gravitacional B da Universidade de Stanford.
• Paul Sutter explica por que a teoria da relatividade de Einstein é verdadeira. 
• Assista: “Are Space and Time An Illusion?” Da PBS Space Time.

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook, twitter e instagram. Inscreva-se no boletim informativo. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

MANN, Adam. What is space-time? Live Science, Nova York, 08, mai. 2021. References. Disponível em: <https://www.livescience.com/space-time.html>. Acesso em: 20, mai. 2021.

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.