A Teoria da Relatividade Geral e suas implicações cristãs passam por mais testes

Satélite MICROSCOPE, projetado para testar o princípio da equivalência da Teoria da Relatividade Geral. (Imagem de Centre National d'Études Spatiales, CNES)

por Hugh Ross
18 de dezembro de 2017

A relatividade geral é considerada a melhor descrição do comportamento do universo. Ela incorpora explicitamente o princípio de que as leis da física nunca mudam no espaço e no tempo.

Demonstrar a confiabilidade da relatividade geral para descrever com precisão a dinâmica (movimentos) de corpos massivos no universo é fundamental para estabelecer os teoremas do espaço-tempo. [1] As implicações subsequentes se dão a partir daí. Esses teoremas comprovam o início (criação) do espaço e do tempo. A criação do espaço e do tempo implica a existência de um Criador além do espaço e do tempo, o que descreve de forma única o Deus da Bíblia.

Tal importância teológica levou astrônomos e físicos a submeterem a relatividade geral a testes rigorosos e exaustivos. Embora a relatividade geral seja atualmente considerada o princípio mais exaustivamente testado e comprovado da física, astrônomos e físicos sentem-se compelidos, por suas implicações filosóficas, a submetê-la a testes ainda mais rigorosos.

No último mês, três equipes de pesquisa realizaram dois importantes testes da relatividade geral, obtendo resultados muito mais precisos. O primeiro desses testes é uma versão sofisticada do famoso teste da queda de Galileu Galilei. O aluno de Galileu, Vincenzo Viviani, relatou que, em 1590 ± 1 d.C., Galileu deixou cair duas esferas de massas diferentes do topo da Torre de Pisa (veja a imagem abaixo) e provou que ambas as massas caíram na mesma velocidade.

Figura 1: Torre de Pisa, onde Galileu provou que a gravidade faz com que todos os objetos caiam na mesma velocidade. (Imagem de Saffron Blaze em Wikimedia Commons via Reasons to Believe)

Teste do Princípio da Equivalência

Todas as teorias viáveis ​​da gravidade preveem que objetos de massas diferentes, independentemente da resistência do ar, cairão a uma taxa aproximadamente igual. A relatividade geral, no entanto, prevê que as taxas serão exatamente equivalentes. Os físicos chamam isso de princípio da equivalência.

Galileu provou o princípio da equivalência com uma precisão de cerca de 1 parte em 100. Os melhores experimentos de laboratório estabelecem o princípio da equivalência com uma precisão de cerca de 2 partes em 10 trilhões. [2] Percorremos um longo caminho desde Galileu, em termos de estabelecer a precisão do princípio da equivalência. Um limite semelhante foi alcançado usando medições de telemetria a laser lunar que mostraram a ausência de aceleração diferencial entre a Lua e a Terra em direção ao Sol. [3]

Em 25 de abril de 2016, o Centro Nacional de Estudos Espaciais (CNES), a agência espacial francesa, lançou o satélite MICROSCOPE. A bordo do satélite havia dois acelerômetros (veja a imagem abaixo). Um dos acelerômetros continha um cilindro feito de uma liga de alumínio-titânio. O outro continha um cilindro feito de uma liga de platina-ródio muito mais densa.

Figura 2: Acelerômetro espacial duplo para recipientes de carga útil do experimento de gravidade (SAGE). (Imagem de Centre National d'Études Spatiales, CNES)

Enquanto o satélite orbita a Terra, os dois cilindros estão em queda livre contínua. Eletrodos mantêm os cilindros centrados dentro dos acelerômetros, aplicando pequenas voltagens aos cilindros. Essas voltagens foram medidas com precisão para determinar se havia alguma diferença entre as duas voltagens aplicadas. Após mais de 1.500 órbitas, a equipe de pesquisa da missão MICROSCOPE não encontrou tais diferenças. Em um artigo pré-publicado aceito para publicação na Physical Review Letters, a equipe de pesquisa, composta por quarenta e quatro físicos da França, Alemanha, Holanda e Reino Unido, relatou que a ausência de tais diferenças estabeleceu o princípio da equivalência com uma precisão de 1 parte em 100 trilhões. [4] Essa medida é 20 vezes superior ao melhor teste anterior.

O satélite MICROSCOPE tem previsão de completar pelo menos mais 900 órbitas. Até lá, a equipe de pesquisa da missão MICROSCOPE espera testar o princípio da equivalência com precisão de 1 parte em um quatrilhão. Um satélite italiano proposto levaria o teste a uma precisão de 1 parte em 100 quatrilhões. Físicos da Universidade de Stanford propuseram um satélite com tecnologia criogênica para redução de ruído, que permitiria um teste com precisão de 1 parte em um quintilhão.

Será que todos esses testes são necessários? Leitores leigos podem se perguntar: quanto mais testes do princípio da equivalência a relatividade geral exige além dos experimentos de queda de Galileu? Embora a validade geral da relatividade geral seja afirmada por astrônomos e físicos, muitos deles especulam sobre pequenos ajustes a essa teoria, alguns dos quais têm consequências filosóficas significativas. Portanto, impor limites mais rigorosos a esses possíveis ajustes tem implicações para a ciência, a filosofia e a teologia.

Testes de Invariância de Lorentz

A relatividade geral também prevê uma simetria fundamental conhecida como invariância de Lorentz. A invariância de Lorentz, nomeada em homenagem ao físico holandês do início do século XX, Hendrik Lorentz, afirma que as leis da física são invariantes sob uma transformação entre dois sistemas de coordenadas que se movem a velocidade constante um em relação ao outro. Simplificando, significa que as medições físicas não dependerão da velocidade nem da orientação do sistema de referência do laboratório. Simplificando ainda mais, significa que, embora o universo não seja invariante, as leis da física são.

Duas equipes de pesquisa, utilizando métodos independentes, estabeleceram agora as restrições mais rigorosas para possíveis violações da invariância de Lorentz. Três físicos do Carleton College, em Minnesota, utilizaram medições com gravímetro supercondutor para testar a invariância de Lorentz local. [5] Especificamente, eles buscaram aceleração gravitacional local medindo cuidadosamente a posição de uma esfera supercondutora levitada em um campo magnético. (Você pode assistir a um experimento desse tipo aqui.) Comparados aos melhores resultados anteriores obtidos com gravímetro, os dados da equipe do Carleton College determinaram limites superiores para possíveis violações da invariância de Lorentz que foram mais de 10 vezes menores.

A segunda equipe de pesquisa, composta por seis físicos e astrônomos da Universidade de Bolonha, Itália, do Observatório de Paris e da Universidade da Califórnia, Los Angeles, analisou 48 anos de dados de experimentos de telemetria a laser lunar. [6] Esses experimentos envolvem feixes de laser emitidos da Terra sendo refletidos por espelhos colocados na superfície da Lua pelos astronautas das missões Apollo 11 e 14 (veja as Figuras 3 e 4 abaixo) para medir com precisão os movimentos orbitais e rotacionais da Lua. Essa equipe estabeleceu limites superiores para possíveis violações da invariância de Lorentz que foram de 100 a 1.000 vezes melhores do que as melhores determinações anteriores.

Figura 3: Refletor a laser lunar colocado na Lua pelos astronautas da Apollo 11. (Imagem de NASA via Reasons to Believe)

Figura 4: Medição de distância lunar no Centro de Voos Espaciais Goddard. (Imagem de NASA via Reasons to Believe)

O que os testes implicam?

A relatividade geral passou nos três testes descritos aqui com sucesso notável. Os físicos têm especulado sobre teorias alternativas da gravidade à relatividade geral, mas os três testes estabelecem que tudo o que resta dessas teorias alternativas são aquelas que ajustam as previsões da relatividade geral apenas de forma muito, muito ligeira.

Assim, as previsões da relatividade geral relevantes para estabelecer que o Deus da Bíblia criou nosso universo de matéria, energia, espaço e tempo estão mais firmemente confirmadas do que nunca. Não resta qualquer fundamento para duvidar de nenhuma das conclusões teológicas que dependem da confiabilidade da relatividade geral.

Notas de Fim

1. Eu discuto os teoremas do espaço-tempo no meu livro Why the Universe Is the Way It Is (Por que o universo é do jeito que é). Na quarta edição do meu livro The Creator and the Cosmos (O Criador e o cosmos), demonstro por que os teoremas do espaço-tempo são válidos tanto para a relatividade geral clássica quanto para o momento extremamente inicial da história cósmica em que a relatividade geral é modificada pela mecânica quântica (a era da gravidade quântica).
2. T. A. Wagner et al., “Torsion-Balance Tests of the Weak Equivalence Principle”, Classical and Quantum Gravity 29 (15 de agosto de 2012): id.184002, doi:10.1088/0264-9381/29/18/184002.
3. James G. Williams, Slava G. Turyshev e Dale H. Boggs, “Lunar Laser Ranging Tests of the Equivalence Principle”, Classical and Quantum Gravity 29 ( 15 de agosto de 2012); id.184004, doi:10.1088/0264-9381/29/18/184004.
4. Pierre Touboul et al., “The MICROSCOPE Mission: First Results of a Space Test of the Equivalence Principle,” preprint (pré-publicação), submetido em 6 de dezembro de 2017, aceito para publicação em Physical Review Letters, arXiv:1712.01176v2.
5. Natasha A. Flowers, Casey Goodge e Jay D. Tasson, “Superconducting-Gravimeter Tests of Local Lorentz Invariance”, Physical Review Letters 119 (16 de novembro de 2017): id. 201101, doi:10.1103/PhysRevLett.119.201101.
6. Adrien Bourgoin et al., “Lorentz Symmetry Violations from Matter-Gravity Couplings with Lunar Laser Ranging”, Physical Review Letters 119 (16 de novembro de 2017): id. 201102, doi:10.1103/PhysRevLett.119.201102.

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Traduzido de General Relativity and Its Christian Implications Pass Yet More Tests (RTB)

Etiquetas:

origem do universo - cosmologia - física relativística