Buracos negros, marés e espaço-tempo curvo: compreendendo a gravidade

Comece sua exploração da gravidade com Isaac Newton e a famosa história da maçã. Por que foi tão revolucionário conectar uma maçã em queda com a lua distante? Reveja as características essenciais da gravidade e saiba por que pequenos asteroides e grandes planetas têm formas tão diferentes.

Analise três grandes descobertas do "avô" da pesquisa sobre a gravidade, Galileu Galilei. Seu experimento mais famoso pode nunca ter acontecido, mas seu princípio da inércia, a lei da queda livre e o princípio da relatividade são a base para tudo o que veio depois na ciência da gravidade, incluindo as principais descobertas de Einstein.

Com base nas ideias e observações de Nicolau Copérnico e Tycho Brahe, Johannes Kepler obteve um grande insight sobre a gravidade ao descobrir três leis do movimento planetário, relacionadas à matemática das órbitas. Ele determinou que a causa do movimento planetário deve estar no sol.

Veja como Newton conseguiu concluir a revolução de Kepler ao formular a lei da gravitação universal, que diz que todo objeto exerce uma força de atração sobre qualquer outro objeto. Explore também a descoberta relacionada de Newton das três leis do movimento, que são a base da ciência da mecânica.

Saiba como as distâncias no sistema solar foram determinadas. Em seguida, faça um gráfico do experimento histórico de Henry Cavendish que descobriu o valor da constante gravitacional de Newton. O trabalho de Cavendish permite que quase tudo no universo seja pesado. Em seguida, veja uma confirmação do princípio da equivalência, que diz que a massa gravitacional e a inercial são idênticas.

Comece a se aprofundar nas leis de Newton mais do que o próprio Newton foi capaz de fazer. Aqui, aplique os conceitos-chave de energia e momento angular para estudar como a gravidade afeta o movimento. Como exemplo, use álgebra simples para calcular a velocidade de escape da Terra.

Newton foi o primeiro a perceber que os objetos poderiam, em teoria, ser colocados em órbita ao redor da Terra. Explore como isso funciona na prática, usando as ideias de energia e momento angular para estudar como satélites, luas, planetas e estrelas se movem pelo espaço.

Identifique a origem das marés com o simples fato de que a gravidade varia de um ponto a outro no espaço. Isso leva não apenas à ascensão e queda do oceano, mas também à desaceleração gradual da rotação da Terra, ao espetacular sistema de anéis de Saturno, aos vulcões na lua de Júpiter, Io, e a muitos outros fenômenos.

Comece seu estudo sobre os efeitos da gravidade nos movimentos de mais de dois corpos. Aqui, veja como até mesmo alterações orbitais muito pequenas - pequenas perturbações - são significativas. Esses efeitos revelaram a presença de planetas desconhecidos, tanto em nosso próprio sistema solar quanto em torno de outras estrelas.

A ressonância ocorre sempre que uma pequena força periódica produz um grande efeito em um movimento periódico - por exemplo, quando você empurra uma criança em um balanço. Saiba como a ressonância devido às interações gravitacionais entre três corpos pode levar a fenômenos surpreendentes com planetas, asteroides e anéis de planetas.

Considere o problema das interações gravitacionais entre milhões de corpos, como as inúmeras estrelas em uma galáxia. Surpreendentemente, a matemática pode revelar informações úteis mesmo nesses casos complicados. Descubra como a análise dos movimentos das galáxias levou à previsão da matéria escura.

Explore a física das estrelas, que são bolas de gás em uma batalha de bilhões de anos entre a atração interna da gravidade e a pressão externa produzida pela fusão nuclear. Acompanhe essa história até seu desfecho final - o triunfo da gravidade em estrelas maciças que terminam suas vidas como buracos negros.

A partir daí, concentre-se na visão revolucionária da gravitação lançada por Albert Einstein. Analise as novas ideias sobre campos que permitiram que a física fosse além da mecânica newtoniana. Em seguida, veja como Einstein modificou as leis de Newton e criou a teoria especial da relatividade.

Einstein concentrou-se na gravidade em sua teoria geral da relatividade. Ouça sobre seu "pensamento mais feliz" - a percepção de que um homem em queda livre percebe a gravidade como zero. Essa simples percepção resolveu um mistério que remontava a Newton e levou Einstein à surpreendente descoberta de que a gravidade afeta a luz e o tempo.

Em uma interpretação influente da relatividade, o antigo professor de matemática de Einstein, Hermann Minkowski, reformulou a teoria em termos de geometria quadridimensional, que ele chamou de espaço-tempo. Saiba como traçar eventos nesse sistema de coordenadas nos casos em que a gravidade é zero.

Veja como a gravidade afeta a geometria do espaço-tempo de Minkowski, descobrindo que o movimento em um campo gravitacional segue o caminho mais reto no espaço-tempo curvo. A curvatura do espaço-tempo não é causada pela gravidade; ela é a gravidade. Essa ideia surpreendente é a essência da teoria geral da relatividade de Einstein.

A curvatura do espaço-tempo depende da matéria - e dos efeitos de maré. Veja como os efeitos de maré comuns revelam uma forma simplificada da maior descoberta de Einstein: a equação que rege a curvatura do espaço-tempo pela matéria.

Veja como a teoria geral da relatividade de Einstein prevê a curvatura da luz em um campo gravitacional, confirmada em 1919 pelo cientista britânico Arthur Eddington. Saiba como esse fenômeno cria lentes gravitacionais naturais - e como a curvatura da luz revela matéria invisível no espaço profundo.

A teoria geral da relatividade prevê novos fenômenos de gravidade análogos aos do eletromagnetismo. Descubra como experimentos ultrassensíveis detectaram o gravitomagnetismo da Terra e acompanhe a busca por ondas gravitacionais indescritíveis que viajam pelo espaço.

Mergulhe no assunto dos buracos negros, que são objetos maciços que entraram em colapso total sob sua própria gravidade. Saiba como os buracos negros distorcem o espaço-tempo e explore os buracos negros supermassivos que se encontram no coração das galáxias. Em seguida, pergunte: Existem microburacos negros?

Investigue o que Einstein chamou de seu "maior erro" - a rejeição da previsão de sua própria teoria de que o espaço-tempo deveria ser dinâmico e estar em evolução. Mapeie o trabalho de um grupo de cientistas, incluindo Alexander Friedman, Georges Lemaître e Edwin Hubble, que avançou a percepção de que nosso universo está se expandindo a partir de um aparente big bang.

Usando tudo o que você aprendeu sobre gravidade, investigue a antigravidade cósmica, começando com a inflação cósmica, um fenômeno que aumentou exponencialmente o tamanho do universo durante o Big Bang. Em seguida, saiba por que a matéria escura não pode ser feita de prótons e nêutrons comuns e explore a recente descoberta de que a expansão do universo está se acelerando.

Use um buraco negro para testar as leis da termodinâmica, observando a capacidade da gravidade de unir a matéria e aumentar a entropia ao mesmo tempo. Investigue a descoberta mais surpreendente de Stephen Hawking e aprenda que a mesma força que puxa a maçã para baixo e orienta as estrelas em seus cursos também é a fonte definitiva de ordem e complexidade da natureza.

Pesquise o maior problema não resolvido da física teórica: a busca por uma teoria quântica da gravidade. Examine a teoria das cordas, a gravidade quântica em loop e a gravidade entrópica. Termine com uma apreciação mais profunda da conexão entre os recursos cotidianos da gravidade e as questões mais interessantes da física e da cosmologia contemporâneas.