O que é a Gravidade?

O que é a Gravidade?

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Se atirar uma pedra ao ar, ela cai.  Se colocar duas pedras em pleno espaço, para lá da órbita terrestre e as deixar sozinhas, com o tempo começarão a espiralar sobre elas próprias até por fim se juntarem inexoravelmente. Matéria atrai matéria, sempre, em qualquer lado.

Mas ninguém sabe bem porquê… nem como.

Segundo as Leis de Newton, existe uma Força, a Força da Gravidade, que actua na razão inversa do quadrado da distância entre dois objectos.

Latex formula

Newton não fez propriamente nenhuma previsão, não descobriu nada, as suas Leis da Natureza foram em grande parte inferidas e não deduzidas, tratou de observar cuidadosamente a natureza e fazer as perguntas certas; Porque as coisas caem sempre da mesma forma? Porque boiam na água? Porque a Lua não cai na terra? Para traduzir depois as suas conclusões, recorreu a uma matemática completamente inovadora para o seu tempo, o cálculo diferencial e integral, que teve de inventar pelo caminho.

Isacc Newton (1643-1727)

Isacc Newton (1643-1727), criador da Teoria da Atração Universal

Mas o seu conjunto de leis poderiam ser, na melhor das hipóteses, uma aproximação, já que não conseguiam explicar alguns fenómenos, como por exemplo a órbita do planeta Mercúrio, as Forças de Inércia no universo, além de terem o grave problema de insinuarem que a Força da Gravidade é instantânea (o que é impossível, porque nada pode ultrapassar a velocidade da luz, que é finita). A Gravidade não tem a ver propriamente com as massas dos corpos, nem com as distâncias entre eles, mas antes com algo muito mais subtil e intrínseco ao próprio Universo, relacionado com o tecido do próprio Cosmos. Para termos alguma luz sobre isto teriam de passar mais de dois séculos.

A revolução da Relatividade Geral começou em 1915, quando Einstein explicou ao mundo que o espaço e o tempo formam uma estrutura, e que a matéria do Cosmos interage sobre essa toalha invisível, a que chamamos espaço-tempo, deformando-o, dobrando-o, e contorcendo-o em volta dos objectos e das coisas, criando vales extradimensionais na geometria do espaço que seriam a pegada invisível da Força da Gravidade. Tal como uma bola de bolling encima de um colchão o deforma numa cova, também a matéria no nosso universo altera o tecido do espaço-tempo, encurvando a trajectória dos objectos em movimento, tal como um berlinde que passasse perto da bola de bolling, desviando-o para longe, ou aprisionando-a para sempre. Einstein explicou a Gravidade como uma característica topológica do nosso universo, uma interacção entre espaço, tempo e matéria que revolucionou a Física para sempre. E ao contrário de Newton, Einstein fez previsões.

A Matéria deforma o espaço.

A Matéria deforma o espaço.

Como a própria luz se propaga através do espaço, que aconteceria se ele fosse curvado? Imaginem que a luz era como um comboio a grande velocidade em linha recta, que aconteceria se os carris se encurvassem? Ou dito de outra forma, sabendo que a luz se move no vácuo, no espaço, se este curvar ou for deformado em alguma coisa, não deveria a trajectória da luz o ser também? Devia, e na verdade o chamado “Efeito de Lente Gravítica“, foi observado diversas vezes por vários Astrónomos, quando na lente dos seus telescópios apareceram imagens quadruplicadas da mesma galáxia, a distorção provocada na sua luz pelo tecido encurvado do Cosmos.

Daqui a mais ou menos 2,8 biliões de anos, haverá um último dia perfeito na Terra. Quando o combustível de hidrogénio do Sol se começar a esgotar, começará a fundir elementos mais pesados para continuar a brilhar, do hélio ao carbono, fazendo com que inche numa bolha vermelha gigantesca, uma Gigante Vermelha, altura em que provavelmente engolirá o nosso próprio planeta. O equilíbrio delicado entre o peso das camadas exteriores deste gigante inchado e a fornalha nuclear do seu núcleo, apagando-se lentamente, irá ser quebrada e provavelmente as suas camadas exteriores serão injectadas para o espaço exterior, enquanto o seu núcleo continuará a fundir carbono até este eventualmente se esgotar também. O sol então arrefecerá lentamente até se tornar num núcleo ultra-compactado, um diamante do tamanho do planeta Terra.

Mas o nosso sol é uma estrela bastante modesta, se tivesse apenas 4 ou 5 vezes a sua massa actual algo ainda mais estranho aconteceria. Com um núcleo ainda mais massivo, a estrela continuaria a se contrair sobre si própria, e eventualmente os átomos de hélio e hidrogénio ficariam tão próximos que os electrões seriam arrancados das suas órbitas e os protões e neutrões mesclados numa sopa nuclear de densidade inimaginável. Por fim, o colapso seria parado pelas forças nucleares que prendem neutrões com protões e a estrela morreria assim, como uma grotesca estrela de neutrões, fria e triste, abandonada no negro escuro do espaço para o resto da Eternidade. Algumas destas estrelas ficam a girar sobre si próprias como piões e transformam-se em Pulsares. Se a massa do Sol fosse ainda maior, cerca de 10 vezes maior, logo que o hidrogénio acabasse, nada nesta vida poderia suster a estrela de desabar sobre si própria. Uma onda de choque de proporções indescritíveis seria gerada pela reacção das forças nucleares centrais da estrela , destruindo as suas camadas exteriores e expandindo-se a 3% da velocidade da luz. Nessa cenário, o Sol haveria se transformado numa Supernova, cujo brilho pode facilmente suplantar o de uma Galáxia inteira.

Mas nenhum deste cenários se aproxima do que aconteceria se a massa do Sol fosse 100 vezes maior.

Há um limite para lá do qual não existe nada, nenhuma força, nenhuma partícula, nenhum processo Físico ou interação conhecido ou sequer imaginado que possa parar uma estrela supermassiva de se contrair, nem as forças nucleares de um núcleo de quarks poderiam suster a gravidade de continuar a encolher a estrela…para sempre. Depois de acabado o seu combustível nuclear, uma estrela destas começaria a desabar sobre si própria, lenta e inexoravelmente. Mesmo depois da matéria ser compactada em densidades inimagináveis, num caldo fantasmagórico de quarks, esta forma estranha de matéria continuaria a se contrair, mais e mais, indefinidamente. E é aqui que a Física acaba. Como a gravidade é inversamente proporcional ao raio do objecto na razão da sua massa, ou densidade de matéria, significa que a valor da curvatura do espaço-tempo em redor deste objecto se aproximaria do infinito, ou por outras palavras, que a sua atracção gravítica tenderia para um valor infinitamente grande. Como a luz se propaga no vácuo, no próprio tecido do cosmos, seria encurvada de tal forma, que não mais poderia escapar, ficando aprisionada naquele abismo gravitacional para sempre, fazendo com que a estrela desaparecesse do nosso Universo, literalmente, transformando-se num Buraco Negro.

Cygnus X-1. A estrela brilhante no centro da imagem orbita um buraco negro supermassivo.

Cygnus X-1. A estrela brilhante no centro da imagem orbita um buraco negro supermassivo.

Num Buraco Negro, a nossa Física colapsa, as equações deixam de fazer sentido, e as suas soluções tendem para infinito ou são incoerentes. Não existe nenhum modelo matemático ou conceptual para abordar a Física extrema dos Buracos Negros, tanto quanto sabemos é uma das fronteiras da nossa ciência. E isto porque, apesar de todas as tentativas feitas até hoje por toda uma geração de mentes brilhantes, ainda não se conseguiu modelizar a interação gravítica ao nível quântico, ou seja, explicar a gravidade num ambiente extremo como um objecto em contração infinita, ou na gama das energias quânticas. A Relatividade Geral explica as interações gravíticas em grande escala de uma maneira elegante e bela, a gravidade no infinitamente grande, mas não no mundo estranho e evocativo do infinitamente pequeno, onde tudo falha. Que se passa?

Einstein lutou até ao fim dos seus dias por esta Teoria Unificada do Campo, ou GUT (Great Unified Theory), pretendendo unificar o campo gravítico com o electro-fraco (forças de decaimento nuclear), o electro-forte (as forças que mantêm os quarks nos protões e neutrões), e com o campo electromagnético (luz e magnetismo), mas sem sucesso, Muitas das mentes mais brilhantes que o mundo jamais conheceu, como Stephen Hawking, Roger Penrose, Alan Guth e outros, perseguem ainda este objectivo, mas algo continua a lhes escapar. Algo de certeza muito estranho e provavelmente completamente fora da nossa experiência.

Num Buraco Negro, a matéria é comprimida até densidades inimagináveis, a temperaturas altíssimas. Houve no entanto um outro fenômeno na história do universo muito semelhante a este, onde aconteceu algo de muito parecido: no instante do seu nascimento. Há 13,8 biliões de anos, o universo era semelhante a um Buraco Negro. A temperatura rondaria um valor acima dos Latex formula Kelvin e o tecido do cosmos estaria encurvado num vácuo supersimétrico. Os Físicos sabem que a essa gama de temperaturas, todas as forças da natureza estariam unificadas numa única interacção fundamental, que de uma forma ainda não compreendida colocou o universo em movimento no instante t=0 s, quebrando a sua simetria e desacoplando a gravidade das outras forças. O tecido do vácuo era o domínio das obscuras energias do vazio, onde flutuações quânticas faziam surgir partículas vindas de outras dimensões, em escalas de tempo que fundiam antes com depois. Seja lá o que for que lá estava, interagia com a gravidade, ou num sentido que ainda não compreendemos, “seria” a Gravidade em si.

Era necessário uma nova abordagem, um caminho radicalmemte novo, e em consequência, uma nova teoria foi florescendo desde 1964, a Teoria das Cordas, propondo a existência de objectos dimensionais, no mínimo com o comprimento de Planck, chamados de Cordas. Neste modelo, as forças da natureza seriam apenas interacções dessas cordas fundamentais vibrando a frequências diferentes, cada uma dessas frequências correspondendo a uma partícula conhecida, unificando desta forma todas as forças da natureza, incluindo a misteriosa força da Gravidade numa única teoria coerente de tudo. Faltava agora fazer as contas.

A Teoria das Cordas foi-se revelando contudo ela própria uma espécie de buraco negro. A matemática usada é muito complexa, quase indecifrável, e as conclusões a que os Físicos das Cordas foram chegando com o passar dos anos são simplesmente bizarras. Falam que o nosso universo na realidade não tem 3 dimensões mas 11, que é povoado por cordas cósmicas com anos luz de comprimento e por Branas multidimensionais que chocam umas com as outras originando fenómenos que sentiríamos como forças ou interacções no nosso universo. A teoria M, um edifício matemático obscuro criado por Edward Witten a partir da segunda revolução das cordas em 1995, funde várias sub-teorias (ou “paisagens” como lhe gostam de chamar) numa só visão que diz poder vir a incorporar o campo gravítico como uma perturbação originada em membranas (Branas) fluindo nas 7 dimensões adicionais para elém das 3 do espaço e 1 do tempo. Os Físicos das Cordas acreditam que a Gravidade não é deste mundo, literalmente, mas sim uma perturbação, uma confluência de objectos extradimensionais, uma mão invisível vinda de outra dimensão. Ao nível quântico, dizem, nada é o que parece, e da mesma forma que um poste de electricidade nos parece perfeitamente unidimensional à distância, mas que de perto nos revela a formiguinha passeando sobre a sua superfície cilíndrica, também no mundo quântico perto da escala de Planck, 7 dimensões adicionais do espaço-tempo estão lá encurvadas. A essa escala de energias, a unificação é total e os gravitões seriam a única interacção possível, originados pela confluência de Branas de dimensões superiores. A energia desses objectos, recortada nas nossas 3 dimensões formaria uma corda elementar, o gravitão, que se libertaria no nosso universo sob a forma de uma onda gravitacional.

Muito além do que existe: Poderá o infinitamente pequeno conter dimensões adicionais?

Espaços Kaluza-Klein: Poderá o infinitamente pequeno conter dimensões adicionais?

Por enquanto temos de pura e simplesmente acreditar no que os Físicos das Cordas nos dizem porque não há forma de testar em laboratório as suas conclusões. O mais poderoso dos nossos aceleradores de partículas, actualmente em funcionamento perto de Berna na Suíça, consegue realizar experiências em gamas de energia na ordem dos Latex formula Kelvin, muito longe, por um factor de biliões, das energias necessárias para aceder ao nível quântico das Cordas. Muitos Físicos estão cépticos em relação à Teoria das Cordas e à Teoria M. A teoria está ficar cada vez mais complexa e em certos aspectos a divergir em vez de convergir para alguma coisa. Não faz realmente nenhuma previsão e dá a sensação que quer forçar a realidade a encaixar nas equações e não o contrário. A matemática envolvida não está de forma alguma ao alcance de todos, mesmo para quem já é um Físico de Partículas, e é necessário um intelecto muito acima do normal para sequer ser capaz de interpretar uma solução de uma qualquer equação da Teoria das Supercordas. É tudo muito estranho e obscuro. Sim, claro, cordas extradimensioanis e dimensões encurvadas, porque não duendes verdes a puxar manivelas? Muitos Físicos, como Lee Smolin, autor do besteseller internacional “The Trouble With Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next”, começam lentamente a ter impressão que provavelmente a Teoria das Cordas nunca chagará a nenhuma solução coerente, e outras abordagens começaram surgir, como a Gravidade Quântica em Loop, onde as equações são formuladas independentes do fundo, ou seja, sem referenciais fixos de nenhuma natureza, pelo que se tornam um pouco mais simples, se bem que necessitando de muito mais poder de cálculo; de poderosos computadores que apenas agora estão disponíveis em pleno século 21.

Outros no entanto continuam a acreditar que a Teoria M é a melhor candidata a unificar o campo gravítico com a o campo electro-fraco numa única teoria corente de tudo. Mas cresce a a impressão miudinha que talvez seja necessária uma outra abordagem. Algo continua a escapar, algo tão fundamental, tão intrínseco e basilar que pura e simplesmente nunca foi detectado. Por exemplo, muitos físicos interrogam-se sobre o facto curioso da Força da Gravidade ser tão fraca. Poderá ser um reflexo de uma outra interação desconhecida? Depois das sondas WMAP e Planck terem fotografado a radiação cósmica de fundo , foi descoberto que o universo  é constituído por cerca de 77% de energia e matéria escura. De onde vem essa energia escura? Será essa energia escura a energia do vácuo? Sabe-se que terá uma relação com o campo gravítico, mas de que forma? Será a Gravidade o resultado da interação com essa energia escura?

Ninguém sabe.

A Força da Gravidade é um dos maiores enigmas da Física e uma das actuais fronteiras do nosso conhecimento. Ela confronta-nos com escalas de energia muito para além do que podemos sequer imaginar, e faz-nos recuar ao instante t=0 s do nosso universo, quando tudo começou. Muitos Físicos acreditam que o estudo e a compreensão do campo gravítico a da Gravidade Quântica, nos fará recuar não só até ao instante do Big Bang, mas até ao que estava lá antes. Novas sondas, como a fantástica e ultra-futurista LISA Pathfinder, estão já em órbita a medir ondas gravitacionais que nos poderão fornecer dados cruciais para desvendar um pouco mais este profundo e perturbador mistério.

Na fronteira actual do conhecimento: A sonda Europeia LISA Pathfinder.

Na fronteira actual do conhecimento: A sonda Europeia LISA Pathfinder.

Certa vez fui ver um bailado no Rivoli, aqui no Porto. Fiquei deslumbrado com a beleza de uma das bailarinas e com a forma como se contorcia e movia pelo palco, desenhando formas de uma graciosidade extraordinária. Lembro-me que quase pairava no ar, vencendo a Gravidade por breves milissegundos, rodopiando como as galáxias o fazem também, no seu próprio bailado particular. Pensei como aquela mulher de corpo delgado e frágil controlava daquela forma tão bela a mais misteriosa e obscura força do universo. E como naquela noite a gravidade foi vencida de uma maneira tentadoramente profética.

Seja lá o que a Gravidade for, está muito para além do que conseguimos ver e medir no nosso universo observável. Num sentido profundo ela é o testemunho evocativo de uma entidade desconhecida que podemos identificar como a própria face de Deus.

O princípio e a causa do movimento inicial, da quebra da simetria perfeita do ovo cósmico. O Tau Zero, o princípio de tudo e talvez próprio fim da aventura humana do conhecimento.