O que você está vendo agora é um experimento que nós montamos para te ajudar a visualizar a relatividade geral. Se você quer entender de uma vez por todas como a relatividade geral de Einstein funciona, como o tempo e o espaço podem ser distorcidos, e quiser ver isso acontecendo, já clica no botão de curtir porque esse vídeo deu muito trabalho. Mas agora deixa eu perguntar, qual é a pessoa mais inteligente da história, na sua opinião?
Eu tenho certeza que alguns de vocês vão pensar em Albert Einstein. E sim, Einstein era extremamente inteligente. Mas mais do que isso, ele também era extremamente criativo.
E a ideia desse vídeo é te ensinar a pensar como ele. Mas antes, um pouco de contexto para entendermos o porquê de Einstein ser considerado um dos maiores gênios da história. No começo do século XX, a física entrou em uma era de conceitos abstratos bem diferentes dos séculos anteriores.
Na física clássica, os conceitos mais importantes eram conceitos que lidamos diariamente, como posição e velocidade. É muito fácil visualizar essas ideias. Você sabe onde eu estou, então você tem a minha posição.
E se você também sabe que eu não estou me movendo, você sabe minha velocidade. Mas isso mudou no século XX, quando esses conceitos mais naturais estavam falhando em explicar resultados de experimentos e observações astronômicas mais refinadas. E é aqui que entra um tipo de salto conceitual que define o trabalho de pessoas como Albert Einstein.
Mais do que outros físicos, Einstein estava disposto a se desapegar dos conceitos da física clássica e trazer novas ideias realmente únicas para a física. Por exemplo, nas suas duas teorias da relatividade, Einstein desafia a ideia de que uma hora é sempre uma hora, e que uma régua de 30 centímetros sempre mede 30 centímetros. Ele demonstrou que só era possível explicar o movimento de campos elétricos se uma régua de 30 centímetros em movimento tivesse menos de 30 centímetros, e que o tempo em um relógio em movimento passasse mais devagar do que em um relógio parado.
E mais, a gravidade também causa efeitos similares, mudando o comportamento básico da estrutura do espaço e do tempo. Não é fácil de entender de forma intuitiva a teoria da Relatividade Geral de Einstein e como ela explica a gravidade. Mas eu sou o Pedro Loz e esse é o Ciência Todo Dia e foi exatamente pra isso que eu criei esse canal.
E agora eu vou te explicar como entender a Relatividade Geral como Albert Einstein entendia, menos a parte das contas. Porque pra isso você vai precisar de um doutorado. Mas pra entender a parte que não envolve contas, eu só vou precisar de um monte de objetos aleatórios e da atenção de vocês.
Pra começar, um rápido resumo de relatividade geral. Em 1905, Einstein propôs uma modificação nas leis fundamentais do movimento. Você pode pensar nelas como uma atualização das leis de Newton.
A consequência mais importante dessa proposta era que noções como tempo e espaço eram relativas à velocidade dos observadores. E o que isso quer dizer na prática é que uma régua de 30 centímetros parece ter só 25 centímetros se ela estiver se movendo rápido o suficiente. E também que um relógio se movendo extremamente rápido parece passar em câmera lenta.
Esses são os efeitos de contração espacial e dilatação temporal. E se a gente juntar isso com a ideia de que a velocidade da luz é constante e absoluta, nós criamos a base da teoria da relatividade restrita, que inclui a fórmula mais famosa de todos os tempos, E igual a mc². Só tem um porém, falta gravidade nela.
E isso é bem grave. Gravidade. E essa é a famosa teoria da relatividade geral.
A base dela é que o próprio espaço e o tempo juntos formam uma estrutura quadridimensional que nós chamamos de espaço-tempo. Ou seja, para a relatividade geral, o mundo tem quatro dimensões, que você pode pensar como quatro direções, para cima e para baixo, esquerda e direita, para frente e para trás, e o tempo. Outra coisa importante é que a presença de objetos massivos altera a geometria, que é uma palavra técnica para curvas, do tecido espaço-tempo.
E é essa curvatura alterada que é o que nós sentimos e chamamos de gravidade. E como a gravidade afeta o espaço-tempo, ela também afeta noções de distância e de tempo. Relógios andam mais devagar perto de campos gravitacionais intensos, e réguas de 30 centímetros ficam com menos de 30 centímetros.
Mas mais importante do que isso, independente do movimento ou da presença de campos gravitacionais, o que a Relatividade Geral propõe é que as leis da física são idênticas em todas as situações possíveis. Ou seja, duas pessoas, uma bem perto de um buraco negro e outra aqui na Terra, vão concordar que as leis do eletromagnetismo são as mesmas e que a velocidade da luz é de aproximadamente 300 mil km por segundo. Tudo é relativo, menos as leis da natureza.
Mas por que o tempo dilata? Eu vou mostrar isso usando essa bolinha fixa em um barbante. A bolinha pode se mover livremente indo pra frente e pra trás no barbante.
Mas vamos imaginar o seguinte, a bolinha sempre se move com a mesma velocidade através do barbante. Vamos supor que com 1 centímetro por segundo. Ou seja, a bolinha nunca acelera ou freia.
Ela sempre continua em um ritmo idêntico de um centímetro por segundo. Só que mesmo com a velocidade da bolinha estando fixa, ela pode mudar sua forma de se mover. Quando o barbante está perfeitamente na horizontal, todo esse movimento de um centímetro por segundo acontece na direção horizontal.
horizontal, mas se eu inclinar o barbante, agora a bolinha passa a se mover na diagonal. O que isso quer dizer é que agora a bolinha está andando um pouco na direção horizontal e um pouco na direção vertical. A velocidade horizontal da bolinha agora é menor do que 1 cm por segundo, mas a velocidade total da bolinha ainda é 1 cm por segundo.
O que aconteceu é que essa velocidade foi dividida em duas direções de movimento. Tá, mas o que isso tem a ver com relógios e dilatação temporal? Tudo!
Você é essa bolinha! Você sempre tem a mesma velocidade através das quatro dimensões do espaço-tempo. A sua velocidade quadridimensional é sempre a velocidade da luz.
Sim, você está se movendo na velocidade da luz agora! Espera, como assim se eu tô parado? Você esqueceu da quarta dimensão.
Nesse exato momento você está se movendo pelo tempo com a velocidade da luz. Ou seja, você está se movendo pela quarta direção do espaço-tempo com aproximadamente 300 mil quilômetros por segundo, o que equivale a viajar pelo tempo um segundo por segundo. A passagem do tempo é uma viagem através do tempo na velocidade da luz.
E essa sua velocidade total nunca muda. Quando você se move pelo espaço, tudo que você está fazendo é inclinando a direção da sua velocidade, tipo o que eu fiz com a bolinha. Ou seja, se mover é só mudar a direção da sua velocidade quadridimensional.
A sua velocidade quadridimensional ainda é a velocidade da luz, mas agora essa velocidade está dividida entre o seu movimento pelo espaço e o movimento pelo tempo. Você inclinou a sua direção de movimento no espaço-tempo e diminuiu a sua velocidade pelo tempo. Ou seja, ao se mover pelo espaço, a sua velocidade pelo tempo.
Ou seja, ao se mover pelo espaço, a sua velocidade pelo tempo fica menor do que 1 segundo por segundo. Da mesma forma que uma bolinha inclinada diminui a sua velocidade na direção horizontal para ganhar velocidade na direção vertical. Nesse primeiro exemplo, nós já conseguimos extrair um insight muito interessante.
Toda a matemática da dilatação temporal está conectada com a ideia geométrica da inclinação através do espaço-tempo. E isso não é um acidente! A teoria da relatividade de Einstein é fundamentalmente uma teoria geométrica.
Então vamos visualizar como a gravidade causa a dilatação temporal usando um elástico. Pegue esse elástico e marque pontos a uma mesma distância um do outro. Cada ponto no elástico vai representar a passagem de um segundo no tempo.
A tensão no elástico representa a intensidade da curvatura que a gravidade causa no tempo. Quando estamos longe de uma fonte de gravidade, o elástico está relaxado e o tempo passa normalmente a um segundo por segundo. Agora imagine que nós começamos a nos aproximar de um buraco negro.
Quanto mais intensa a gravidade fica, mais esticado o elástico fica, e mais longe uma marcação fica da outra, ou seja, mais distantes os segundos ficam entre si. A distância entre segundos depende do quão perto você está de uma fonte intensa de gravidade. E aqui um detalhe curioso.
Enquanto um segundo fica maior, um centímetro teria ficado menor. Isso mostra que, mesmo com o espaço e o tempo sendo direções, os dois ainda respondem de maneiras diferentes à mudança de gravidade. A relatividade geral não só representa o espaço-tempo como algo de quatro dimensões, mas uma dessas dimensões, o tempo, parece ser diferente das outras.
E objetos massivos distorcem o comportamento dessas dimensões. E essa distorção geométrica afeta o caminho de objetos se movendo pelo espaço. Tudo afeta o espaço, e o espaço afeta tudo.
E é pra explicar isso que nós vamos usar uma maçã e uma caneta. Vamos colocar uma marcação em um ponto qualquer. Esse vai ser o nosso ponto A.
E vamos colocar outro ponto no lado oposto. Esse vai ser o nosso ponto B. A pergunta é, qual é o caminho mais curto entre o ponto A e B?
Não dá pra ir em linha reta sem perfurar a maçã. E eu também não tenho uma faca, então nós não vamos fazer isso. A outra alternativa é achar o caminho mais curto na superfície da maçã que segue a curva da fruta, que é esse arco direto ligando os pontos A e B, e que não é uma reta.
Ele é uma curva na superfície da maçã. Não existe caminho reto, mas esse é o mais reto possível, o melhor caminho dado às curvas da maçã. Imagine o que aconteceria se uma formiga tentasse percorrer esse caminho.
Saindo do ponto A, ela começaria a andar em linha reta, um passo de cada vez. Mas graças à curva da própria maçã, a formiga vai ser obrigada a fazer uma curva e nem vai perceber. Da mesma forma, quando nós viajamos de uma cidade a outra, nós contornamos a curvatura da superfície do planeta e não percebemos.
Ou seja, de perto a curvatura fica notável. E esse fato geométrico, que de perto tudo parece reto, é um dos princípios da relatividade geral. E o caminho mais reto possível também tem um nome especial, que é curva geodésica.
Numa folha de papel, a geodésica é simplesmente uma linha reta. E na maçã, essa curva é a geodésica que liga os pontos A e B. E só para matemáticos não me xingarem, eu estou usando a versão da física de geodésica, então calma.
Geodésicas são as distâncias mais curtas entre dois pontos e elas nos dão informações importantes sobre a geometria do espaço-tempo. Por exemplo, se as geodésicas não são retas perfeitas, a sua geometria tem algum tipo de curvatura. E essas geodésicas são duplamente importantes para a relatividade, tanto por indicarem o tipo de curvatura no espaço, quanto por guiarem o movimento dos objetos.
Tudo o que a Terra quer é sair andando em linha reta, mas no processo ela acaba circulando ao redor de um vale formado pela gravidade do Sol. Da mesma forma, o seu corpo quer seguir a geodésica que leva até o centro do planeta, mas o chão te impede de cair mais. As geodésicas são os caminhos naturais pelo espaço, o caminho que objetos tomam quando não tem nenhuma força além da gravidade envolvida.
E nós podemos ver isso com um experimento bem clássico. E tudo que eu vou precisar é de um tecido. Esse experimento é bem famoso e a gente pode fazer com qualquer tecido.
O importante é esticar. E com o tecido esticado, eu vou colocar uma esfera no centro. Pode ser uma bola de futebol se você tiver em casa.
A bola de futebol vai criar um vale no tecido, que é análogo ao vale que algo como o Sol cria no tecido espaço-tempo. Se eu jogar bolinhas menores, por mais que eu me esforce para que elas andem em linha reta, elas vão dar voltas ao redor desse vale. É assim que a gravidade funciona geometricamente.
E aqui nós podemos até ser mais precisos. A bola curvou o tecido, ele é plano. As únicas dimensões são a largura e a altura do tecido esticado.
Mas quando nós adicionamos um peso, o tecido curva para baixo, que aqui nesse exemplo funciona como se fosse uma dimensão extra. Ou seja, mesmo que o tecido pareça ter duas dimensões, a curvatura acontece em três dimensões. E da mesma forma, no nosso universo aparentemente tridimensional, a gravidade curva as quatro dimensões do espaço-tempo.
A curvatura afeta tanto o espaço quanto o tempo. E essa é uma maneira muito boa de visualizar como a gravidade curva o espaço, enquanto o exemplo do elástico nos ajuda a visualizar como a gravidade afeta a passagem do tempo. Outra ideia muito importante da relatividade é a ideia de que a curvatura do espaço-tempo não afeta só a matéria, mas também a luz.
Foi inclusive a observação de como a gravidade do Sol afeta a posição aparente de estrelas no céu que ajudou a comprovar a relatividade geral de Einstein. Inclusive, parte dessas observações foram feitas na cidade de Sobral, no Ceará, aqui no Brasil. E agora que nós entendemos que a presença de corpos massivos distorce o espaço e que objetos tentam seguir o caminho mais reto possível mas finalmente podemos aplicar a mesma lógica pra luz.
E falando em velocidade da luz, eu gostaria de aproveitar esse gancho pra falar da LOOS, a minha loja. Essas camisetas que eu uso nos vídeos são da minha loja, a Loos e todas elas são feitas com muito carinho e são de 100% algodão. Então se você estiver precisando de uma renovação do guarda-roupa e quiser vestir as camisetas mais descoladas com temas científicos ou se você simplesmente quer, sei lá, vestir o universo, dá uma passada no nosso site.
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CAMISETA DO EU SABO! Não! No espaço vazio, a luz se move em linha reta.
Agora, quando um corpo massivo adiciona a curvatura no espaço-tempo, a luz segue uma geodésica curvada. Toda essa descrição da geometria do espaço-tempo como um tecido está bem próxima do correto. Ela só ignora um detalhe que aparece em situações extremas.
Além de se curvar, o espaço-tempo também pode se mover de forma significante. É como se o espaço-tempo fosse arrastado quando objetos pesados, como buracos negros, se movem por ele. E uma maneira boa de visualizar isso é imaginar que o espaço-tempo ao redor de um buraco negro está escorrendo pra dentro dele, como se fosse a água caindo por um ralo.
Inclusive, vocês sabem qual é a relação entre peixes e a luz caindo em um buraco negro? Não, não é uma piada. É uma analogia muito boa, por sinal.
Imagine um rio que termina numa cachoeira, e tem peixes até podem nadar rápido, mas existe um ponto próximo da cachoeira em que a água está indo tão rápido, mas tão rápido, que os peixes não conseguem vencer e são puxados cachoeira abaixo. Ou seja, quando a velocidade da água supera a velocidade dos peixes que nadam nessa água, eles não têm o que fazer. Da mesma forma, o próprio tecido do espaço-tempo está despencando pra além do horizonte de evento de um buraco negro, mais rápido do que a própria velocidade da luz.
E por isso não existe escapatória. Buracos negros são cachoeiras do próprio espaço-tempo. Todas essas maneiras de visualizar a relatividade que eu mostrei nesse vídeo podem parecer maneiras divertidas de entender conceitos complexos.
Mas, na verdade, elas são bem mais do que isso. A grande mensagem aqui é que a relatividade geral é fundamentalmente uma teoria geométrica da física, e ela tenta explicar o máximo possível usando conceitos de uma área conhecida como geometria diferencial. Do ponto de vista matemático, os experimentos do elástico esticado e dos pesos sobre o lençol são quase idênticos às contas que a Relatividade Geral tenta resolver.
Ideias simples que revelam conceitos profundos. Eu gosto muito disso, porque essa é a base do método que Einstein usava para desenvolver suas teorias físicas. A própria Relatividade Geral de Einstein começou com uma reflexão simples, a de que uma pessoa caindo não sente o próprio peso.
Ou seja, uma pessoa acelerando em queda livre não experiencia gravidade. Então gravidade e aceleração precisam estar conectadas de alguma forma mais profunda. E dessa ideia simples, nós podemos ir criando versões mais elaboradas para tentar decifrar como o universo funciona.
E é justamente essa capacidade que o Einstein tinha de entender os elementos essenciais dos problemas que ele queria resolver que fazem dele um gênio. Einstein não tentava responder perguntas difíceis antes de saber responder as mais simples, mas igualmente importantes. Sim, talvez a versão final da Relatividade Geral envolva um refino matemático tremendo.
Mas todo esse refino surgiu de ideias simples, questionadas com uma curiosidade quase infantil. E eu não falo infantil para diminuir o valor dessa forma de pensar, mas para apontar que uma reflexão mais curiosa e menos crítica do mundo ao nosso redor às vezes nos leva mais longe do que nos portar como intelectuais que sabem de tudo. As vezes estar curioso e disposto a brincar com novas ideias nos leva mais longe do que estar certo.
Muito obrigado e até a próxima.
