Teoria da relatividade geral

A teoria da relatividade geral é uma teoria moderna da gravitação que foi formulada por Albert Einstein em 1915 e revolucionou a compreensão da gravidade ao descrevê-la como uma manifestação da curvatura do espaço-tempo causada por objetos massivos, em contraste com a visão clássica newtoniana de uma força de atração. Fundamentada no princípio da equivalência, sua formulação matemática é expressa pelas equações de Einstein. Além de explicar fenômenos como a órbita dos planetas, a teoria previu a existência de buracos negros e ondas gravitacionais.

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Resumo sobre a teoria da relatividade geral

• A teoria da relatividade geral descreve a gravidade como a curvatura do espaço-tempo causada por objetos massivos.
• O princípio da equivalência afirma que não há diferença observável entre os efeitos da gravidade e da aceleração.
• A teoria é matematicamente descrita pelas equações de Einstein.
• Enquanto a relatividade restrita trata de referenciais inerciais e velocidades próximas à da luz, a relatividade geral amplia esses conceitos para incluir a gravitação.
• A teoria previu fenômenos como buracos negros e ondas gravitacionais.

O que diz a teoria da relatividade geral?

A teoria da relatividade geral é uma teoria moderna da gravitação. Ela é capaz de descrever e prever fenômenos da gravidade de uma forma que a antiga descrição da gravidade — a gravidade newtoniana — não era capaz.

Enquanto a gravidade clássica, ou newtoniana, tratava essa entidade física como uma força, a teoria da relatividade geral trata a gravidade como um fenômeno geométrico, ou seja, objetos massivos distorcem a geometria do espaço-tempo, fazendo com que outros objetos massivos percorram caminhos distorcidos. Portanto, em vez de o planeta Terra entrar em órbita ao redor do Sol por causa da dita força gravitacional, a Terra entra em órbita porque esse é o seu caminho natural no tecido do espaço-tempo que foi distorcido pela grande massa do Sol.

Princípios da relatividade geral

A teoria da relatividade geral baseia-se no princípio da equivalência, que afirma que não há como distinguir, por meio de um experimento local, se a aceleração de um corpo é causada pela gravidade ou por uma força externa de outra natureza, pois os efeitos no corpo são idênticos. Por exemplo, um objeto solto na Terra cai com uma aceleração de aproximadamente 9,8 m/s² devido à gravidade, mas o mesmo efeito ocorre se o objeto for solto dentro de uma nave acelerando verticalmente para cima a 9,8 m/s², sem influência gravitacional. Isso significa que um observador dentro da nave não poderia determinar se a queda do objeto se deve a um campo gravitacional ou apenas à inércia.

Fórmula da relatividade geral

A fórmula da relatividade geral é dada pelas seguintes equações de Einstein:

\(R_{\mu\nu} - \frac{1}{2} R g_{\mu\nu} = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu} \)

Não se deixe enganar pelo pequeno tamanho da equação. Na realidade, essa é a representação compacta de um conjunto de gigantescas e complicadas equações que utilizam de uma matemática avançada, os chamados tensores. Do lado esquerdo da equação, há a descrição geométrica do espaço-tempo; do lado direito, há energia e momento, portanto quantidades dependentes da massa do objeto que vai distorcer o tecido do espaço-tempo. É um caminho de ida e volta: enquanto o espaço-tempo vai ditar para o objeto qual caminho seguir, o objeto massivo vai dosar quanto o espaço-tempo vai ser distorcido.

Leia também: Dilatação do tempo — fenômeno explicado por Albert Einstein  

Teoria da relatividade geral x Teoria da relatividade restrita

A teoria da relatividade restrita surgiu com a publicação do artigo de nome “Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento”, em 1905, no qual o físico Albert Einstein quebra paradigmas da física ao descrever o movimento dos corpos com velocidades próximas à da luz, a partir de dois simples princípios:

• As leis da física são as mesmas em todos os referenciais inerciais.
• A velocidade da luz no vácuo é a mesma em todos os referenciais inerciais.

A partir disso e das transformações de Lorentz, Einstein conseguiu explicar inconsistências que surgiam na eletrodinâmica e na mecânica clássica, além de prever intrigantes fenômenos, como o da dilatação do tempo e da contração dos objetos quando em altas velocidades (próximas à da luz). Também da relatividade restrita surgiu a famosa equação que relaciona a massa e a energia de repouso, muito importante para o desenvolvimento da física nuclear:

Posteriormente aos frutíferos resultados que a relatividade restrita rendeu à física, Einstein dedicou 10 anos de intensos trabalhos na tentativa de formular uma teoria mais geral que generalizasse os conceitos da relatividade restrita e pudesse fazer uma descrição completa da gravitação. Assim, em 1915 Einstein publicou seu trabalho que deu início à teoria da relatividade geral, revolucionando a física, criando uma nova forma de se compreender a gravidade e sendo o ponto de partida da cosmologia moderna. Para saber mais sobre a teoria da relatividade restrita, clique aqui.

Albert Einstein e a teoria da relatividade geral

O nome “Einstein” ser usado como sinônimo de genialidade não é um equívoco. Apesar de ter recebido um Prêmio Nobel de Física por causa dos trabalhos sobre o efeito fotoelétrico, o físico teórico alemão Albert Einstein poderia ter recebido inúmeros prêmios se considerarmos seus outros revolucionários trabalhos, como o da relatividade restrita, a relatividade geral, o movimento browniano — que foi muito importante para a concepção de que a matéria é constituída de átomos —, o sólido de Einstein — muito relevante para o desenvolvimento da mecânica estatística e da área que hoje é conhecida como a física da matéria condensada — , o paradoxo EPR, que rendeu grandes discussões e resultou na criação da computação e informação quântica; entre outros.

Além dessas contribuições diretas de Einstein à ciência, a teoria da relatividade geral, em especial, foi fundamental para descobertas posteriores à morte de Einstein, como a das ondas gravitacionais, que são perturbações no tecido do espaço-tempo que se propagam como ondas mecânicas nos meios. Um século depois do desenvolvimento da relatividade geral, as ondas gravitacionais foram detectadas em 2015 por meio do experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

Além disso, outros intrigantes fenômenos físicos só foram descobertos e explicados graças a teoria da relatividade geral, como a existência dos buracos negros, lentes gravitacionais, precessão do periélio de mercúrio e a dilatação temporal gravitacional.

Créditos da imagem

^[1] OCISLY / Wikimedia Commons

Fontes

CARRON, Wilson; GUIMARÃES, Osvaldo. As faces da física (vol. único). 1. ed. Moderna, 1997.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Óptica e Física Moderna (vol. 4). 9 ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2012.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Óptica, Relatividade e Física Quântica (vol. 4). 2 ed. São Paulo: Editora Blucher, 2014.