Não há como negar o tremendo poder preditivo da teoria da gravitação e da relatividade geral de Albert Einstein de 1915; no entanto, a teoria ainda sofre de inconsistências quando se trata de calcular o seu efeito em vastas distâncias. Novas pesquisas sugerem que essas discrepâncias podem ser o resultado de um “desequilíbrio cósmico” na própria gravidade.
Nos 109 anos desde que foi formulada pela primeira vez, a relatividade geral continuou a ser a melhor descrição da gravidade à escala galáctica; Experimentos confirmaram repetidamente sua precisão. Esta teoria também tem sido usada para prever aspectos do universo que mais tarde seriam confirmados pela observação. Isso inclui o Big Bang, a existência de buracos negros, lentes gravitacionais de luz e pequenas ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais.
No entanto, tal como a teoria da gravidade newtoniana que a superou, a relatividade geral pode não nos dar a imagem completa desta força misteriosa.
“Este modelo de gravidade tem sido essencial para tudo, desde a teoria do Big Bang até a imagem de buracos negros”, disse Robin Wen, do Departamento de Física Matemática da Universidade de Waterloo, em um comunicado. “Mas quando tentamos compreender a gravidade ao nível cósmico, ao nível dos aglomerados de galáxias e mais além, encontramos contradições claras com as previsões da relatividade geral.”
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“A gravidade torna-se mais fraca em cerca de um por cento quando se trata de distâncias de milhares de milhões de anos-luz”, disse Wen. “Chamamos esta discrepância de ‘falha cósmica’. É como se a própria gravidade tivesse parado completamente de corresponder à teoria de Einstein.”
A perturbação cósmica descrita pela equipa exigiria uma mudança num valor chamado constante gravitacional. Esta mudança ocorrerá à medida que os cálculos se aproximarem do “hiperhorizonte”, ou a distância mais distante que a luz foi capaz de viajar desde o início do universo.
A equipe diz que esta modificação pode ser feita adicionando uma extensão ao modelo cosmológico padrão. Este modelo é conhecido como modelo lambda de matéria escura fria. Uma vez concluída, a modificação deverá eliminar discrepâncias nas medições em níveis cosmológicos sem afetar os atuais usos bem-sucedidos da relatividade geral.
O que é a relatividade geral e pode estar errada?
A descoberta da relatividade geral foi tão revolucionária porque, em vez de descrever a gravidade como uma força misteriosa, ele postulou que a gravidade surge da curvatura da estrutura do espaço e do tempo, unida como uma única entidade chamada “espaço-tempo”. Einstein percebeu que essa curvatura é formada por objetos com massa.
Imagine colocar bolas de massa crescente sobre uma folha de borracha esticada. Uma bola de tênis causaria uma marca pequena e quase imperceptível; Uma bola de críquete criaria um amassado mais perceptível; A bola de boliche induziria uma curva enorme que provavelmente atrairia todo o resto da folha em sua direção. É o mesmo conceito com objetos no espaço, embora a curvatura do espaço-tempo exista em quatro dimensões, portanto existem algumas diferenças importantes. No entanto, as luas têm menos massa que os planetas, os planetas têm menos massa que as estrelas e as estrelas têm menos massa que as galáxias, pelo que os efeitos gravitacionais destes corpos celestes aumentam respectivamente.
A teoria da gravitação de Einstein serviu como sucessora da de Newton, embora esta última ainda funcione bem em escalas terrestres e seja precisa o suficiente para lançar foguetes à Lua. No entanto, a teoria de Einstein poderia explicar coisas que a teoria de Newton não conseguia, como a estranha órbita de Mercúrio em torno do Sol.
Não foi exatamente Newton erro Quanto à gravidade, ele não estava certo sobre as escalas dos planetas, estrelas e galáxias.
Mas será que a relatividade geral está errada?
Bem, talvez não. Como teoria, foi muito preciso na previsão de aspectos do universo sobre os quais nada sabíamos. Por exemplo, a primeira imagem de um buraco negro obtida pelo Telescópio Event Horizon foi revelada ao público em abril de 2019. Esta imagem foi um tanto chocante devido à semelhança entre a aparência do buraco negro supermassivo M87* e as previsões da relatividade geral.
No entanto, os cientistas percebem que existem alguns problemas com a relatividade geral que podem eventualmente exigir revisão. Por exemplo, a teoria não combina com a mecânica quântica; Nossa melhor descrição da física está em níveis fundamentais menores que o átomo. Isto ocorre principalmente porque atualmente não existe uma teoria quântica para descrever a gravidade.
Assim, modificações na relatividade geral em algum momento, a fim de “estender” o seu alcance às menores escalas do universo — e de acordo com esta equipe, às maiores escalas — parecem inevitáveis.
Durante décadas, os investigadores tentaram criar um modelo matemático que ajudasse a relatividade geral a superar as suas contradições, e matemáticos aplicados e astrofísicos da Universidade de Waterloo estiveram profundamente envolvidos neste esforço.
Mudar a relatividade geral? O que!
Se a ideia de revisar a relatividade geral parece uma heresia, considere que esta não seria a primeira vez que as teorias a ela associadas tiveram que ser modificadas.
Pouco depois de Einstein ter apresentado a teoria pela primeira vez, ele e outros expandiram-na para desenvolver uma equação para descrever o estado do universo. Como resultado da relatividade geral, esta equação previu que o universo deveria mudar. O problema com isso era o consenso científico da época de que o universo era estático. Embora Einstein não fosse estranho à transformação do status quo num estado de mudança constante, ele concordou com esta imagem cósmica imutável.
Para garantir a previsão da relatividade geral de um universo estático, Einstein adicionou um “fator de correção” que mais tarde descreveu como “seu maior erro”: isso é conhecido como constante cosmológica, representada pela letra grega lambda. A constante seria removida do pensamento quando Edwin Hubble convencesse Einstein de que o universo não era estático. Ele disse que está se expandindo. Pelo que sabemos hoje, o Hubble estava certo.
No entanto, o lambda irá realmente retornar. Começará a desempenhar uma função diferente no final do século XX, quando os astrónomos descobrirem que o Universo não está apenas a expandir-se, mas também a um ritmo acelerado.
“Quase um século atrás, os astrônomos descobriram que nosso universo estava se expandindo”, disse Niayesh Afsharid, professor de astrofísica da Universidade de Waterloo e pesquisador do Ocean Institute, no comunicado. “Quanto mais distantes estão as galáxias, mais rapidamente se movem, até ao ponto em que parecem estar a mover-se próximo da velocidade da luz, o máximo permitido pela teoria de Einstein. As nossas descobertas sugerem que, nessas mesmas escalas, a teoria de Einstein também pode. não seja suficiente.”
A proposta da equipa da Universidade de Waterloo de uma “falha cósmica” que modula a gravidade ao longo de vastas distâncias amplia as fórmulas matemáticas de Einstein para resolver esta questão sem “derrubar” a teoria.
“Pense nisso como uma nota de rodapé à teoria de Einstein”, disse Wen. “Depois de chegar ao Reino Cósmico, os termos e condições se aplicam.”
Os pesquisadores por trás dessa teoria da falha cósmica sugerem que observações futuras da estrutura em grande escala do universo e de um campo de radiação “fóssil” global chamado fundo cósmico de micro-ondas (CMB) de um evento que ocorreu logo após o Big Bang poderiam lançar luz sobre se as falhas cósmicas na Gravidade são responsáveis pelas atuais “tensões cósmicas”.
Isso pode incluir por que a teoria quântica fornece o valor de lambda, que é um fator surpreendente de 10¹²¹ (10 seguido de 120 zeros), que é maior do que mostram as observações astronômicas (não é de admirar que alguns físicos o chamem de “a pior previsão teórica na história do universo). ”). Física!”).
“Este novo modelo pode ser apenas a primeira prova do puzzle cósmico que estamos a começar a desvendar no espaço e no tempo”, concluiu Afshordi.
A pesquisa da equipe aparece em Jornal de Cosmologia e Física de Astropartículas.
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