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Como explicar as ondas gravitacionais à tua avó

Em 1916, Einstein publicou uma equação que descreveu o Universo a uma grande escala. Essa equação, além disso, previu a existência de ondas gravitacionais. Cem anos depois, finalmente foram detetadas diretamente. Por Alberto Sicilia.
Deformação do espaço-tempo pela força da gravidade de um corpo.

Rainer Weiss do MIT, Kip Thorne e Barry Barish, ambos da Caltech, ganharam o prémio-nobel em Física pela descoberta de ondas gravitacionais. Este artigo explica o que são e a sua importância.

“Só compreendes algo quando o podes explicar à tua avó”. Esta frase é comummente atribuída a Albert Einstein, ainda que na realidade não esteja do todo provado que o tenha pronunciado.

O que está provado é que em 1916, Einstein publicou uma equação que descreve o Universo a uma grande escala. Essa equação, além disso, previu a existência de algo chamado ondas gravitacionais. Cem anos depois, finalmente foram detetadas diretamente.

Para celebrar a ocasião, decidi verificar a validade do meu doutoramento em Física, explicando à minha avó o que são as ondas gravitacionais.

Foi mais ou menos assim:

"Avó, tu já sabes o que são ondas. As ondas não são mais do que ondas. Por exemplo, se lanças uma pedra num lago formar-se-á  uma onda de água assim:

Na vida quotidiana, estamos rodeados de todo o tipo de ondas: por exemplo, o som (é uma onda de ar) ou a luz (é uma onda do campo electromagnético).

- Ok, a onda do lago move-se na água, mas onde se move uma onda gravitacional?

Uma onda gravitacional move-se no espaço-tempo.

- O que é o espaço-tempo?

O “espaço-tempo” é um palavrão que os físicos utilizam, mas que esconde um conceito muito simples.

O “espaço” é por onde nos podemos mover e dizemos que tem três dimensões porque podemos mover-nos para a frente e para atrás, para a direita e para a esquerda, para cima e para baixo.

O “tempo” é o que medimos com um relógio.

Einstein ensinou-nos  que o espaço e o tempo estão tão relacionados que não faz sentido falar do um sem mencionar ao outro: por isso os físicos juntam as duas palavras e falamos sempre do “espaço-tempo”.

O “espaço-tempo” tem quatro dimensões: as três do espaço e a do tempo.

- E não me poderias mostrar um desenho do “espaço tempo”?

É impossível desenhar em quatro dimensões, mas podemos imaginar o “espaço-tempo” como uma espécie de esquadria invisível que se estende por todo o Universo.

Algo como:

- E esta esquadria, o espaço-tempo, é sempre plano?

Boa pergunta avó! Aí está toda a piada do assunto.

Não, o espaço tempo não é sempre plano. Einstein provou que a massa dos objectos deforma o espaço-tempo.

Por exemplo, o espaço-tempo ao redor do Sol é algo assim:

Einstein também provou que essa deformação do espaço-tempo é precisamente a força da gravidade.

- Ok, a esquadria (o espaço-tempo) pode-se deformar e a deformação é a gravidade. O que é que isso tem a ver com as ondas do lago?

Há fenómenos no Universo que deformam o espaço-tempo de tal maneira que criam uma onda.

Por exemplo, estas duas estrelas que estão a colapsar:

Estas ondas que viajam no espaço-tempo são as ondas gravitacionais.

- Pois, de facto pareciam-se com as ondas num lago. E podemos ver estas ondas?

Não, não as podemos ver, mas podemos detectá-las.

- Como se detectam?

Imagina que chegava até aqui uma onda gravitacional.

Dissemos antes que são deformações no espaço-tempo, de modo que deformaria o espaço à nossa  volta e com isso deformar-nos-ia também a nós.

- Não pode ser. Eu isso nunca vi.

Bom, isso é porque tenho exagerado um pouco. Quando chegam à Terra, as ondas gravitacionais são tão, tão pequenas, que não percebemos os seus efeitos.

É tão complicado detectá-las que demorámos cem anos a fazê-lo!

Para detectar as ondas gravitacionais, os cientistas usaram um instrumento que se chama LIGO.

LIGO é um edifício do qual saem dois braços que medem cada um exactamente 4 quilómetros. Aqui está uma foto aérea:

Quando chega uma onda gravitacional, o espaço deforma-se de maneira que um braço fica mais longo e outro braço fica mais curto:

Braço - A medirá  3,999999999999999999999 quilómetros

Braço - B medirá 4,000000000000000000001 quilómetros

É realmente um milagre tecnológico medir o comprimento dos braços com semelhante precisão para detectar uma diferença.

- E por que é que detectar as ondas gravitacionais é tão importante?

É muito, muito importante porque nos dão um novo sentido para observar o Universo.

Até agora só víamos o Universo através “da visão”, da luz (ondas de radiação electromagnética).

Agora é como se também nos tivessem dado “o ouvido”, podemos observar o Universo através de outras ondas diferentes, as ondas gravitacionais."

Artigo publicado originalmente Principia Marsupia a 11 de fevereiro de 2016.

 

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Comentários

Muito bem explicado, mas o que não é menos importante, é que as respostas a estes milagres da natureza, já existem desde que este planeta começou a florir e a despertar para a vida. O exemplo da pedra no lago é um deles, e o exemplo da maçã quando se atira ao ar é outro, ela cai, é a lei da gravidade. É impressionante! A natureza permitiu a nossa existência, e ensina-nos, ela é, sem dúvida, a nossa única mãe.

Uma pergunta: Um astro em "movimento uniforme" por exemplo estaria emitindo ondas baixissimas como um caiaque deslizando pelo lago, mas ao entrar no campo gravitacional forte de outro astro (tal qual as duas estrelas ou tal qual os dois buracos negros que permitiram a detecção das ondas), criaria uma deformação maior do espaço tempo, pois estaria mudando sua trajetória mais drasticamente (tal qual um jet-ski realizando uma curva brusca no lago) e, por isso, as ondas mais fortes puderam ser captadas... Isso faz sentido? Seria algo mais ou menos assim mesmo? rs Obrigado

e como é que se explica a uma avó, que um braço fica 1*10-18m mais longo?
quando a dimensão de um átomo é aproximadamente 1Angstrom, ou seja 1*10-10m, ou seja, o braço de 4 km ficou mais longo uma centésima de milionésima parte do tamanho de um átomo?
existe instrumento de medição com tal exatidão?!?!?

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