Teoria da Relatividade Geral de Einstein

Em sua teoria da Relatividade Geral, Einstein procura avaliar o que acontece em referenciais não inerciais (que possuem aceleração). Ele chega a algumas importantes conclusões:

• Um referencial que sofre aceleração é equivalente a um referencial submetido a uma força atuando à distância.
• A Força Gravitacional é provocada por uma distorção na relação entre espaço e tempo.

Por exemplo, quando um elevador sobe, o passageiro não tem como distinguir se o elevador realmente iniciou o movimento ou se alguma força começa a empurrá-lo para baixo (exceto pelo indicador dos andares).

Isso pode ser observado por um corpo em queda que percorre espaços maiores em tempos cada vez menores. Toda massa provoca essa distorção e quanto maior a massa maior a distorção.

As teorias de Einstein revolucionaram a Física e foram sendo comprovadas com experiências e observações. Entre essas observações está o eclipse do sol, visto na cidade de Sobral, no Ceará. Uma estrela posicionada atrás do sol não poderia ser vista, segundo as teorias antigas. Mas se a gravidade distorce o próprio espaço-tempo, até mesmo a luz poderia ser atraída e desviada. Se Einstein estivesse correto, uma estrela escondida atrás do sol seria vista quando ocorresse um elipse total. Ele veio pessoalmente ao Brasil e a prova foi obtida: o astro que deveria estar oculto pelo sol tinha sua luz desviada e foi visto durante o eclipse.

Porém, antes de Einstein conseguir provar sua teoria, houve muita resistência da sociedade científica de sua época já que sua teoria contradizia Newton, então Einstein teve que convencê-los de que sua teoria estava certa, então para isso, Einstein teve que prová-la através de fotos do Sol durante um eclipse solar para mostrar o distorção da trajetória da luz de estrelas que estavam atrás do Sol.

Einstein viajou para vários países para tentar provar sua teoria, em vários houve problemas que lhe “ajudaram” a ver os erros de equações de sua teoria. Após corrigir esses erros, ele continuou a fotografar eclipses solares com o objetivo de provara teoria, até que ele conseguiu.

Leis de Kepler

Johannes Kepler (1571 - 1630), ao criar suas leis, se baseou nas medições de órbitas planetárias realizadas por seu "mestre" Tycho Brahe (1546 - 1601), que havia observado erros no heliocentrismo proposto por Nicolau Copérnico (1473 - 1543). Antes, achava-se que a Terra era o centro do Universo e tudo girava ao seu redor, e isso era chamado de geocentrismo, porém foi Nicolau Copérnico e Galileu Galilei (1564 - 1642) que provaram o contrário através de telescópios, e então criaram o heliocentrismo. O heliocentrismo defendia a ideia de que o Sol era o centro do universo, e tudo girava ao seu redor com suas próprias órbitas circulares.

O erro que Tycho e Kepler acharam no heliocentrismo, era o fato de dizer que as órbitas eram circulares, então Tycho mediu com enorme precisão a trajetória de órbita de Marte, e provou então que as órbitas eram elípticas (ou semicirculares). À partir disso, Kepler criou 3 leis relacionadas às órbitas dos planetas:

1ª Lei: "Lei das Órbitas"
        Cada planeta revolve em uma órbita elíptica em torno do Sol, com o Sol ocupando um dos focos da elipse.

2ª Lei: "Lei das Áreas"
         Do centro do Sol ao centro do planeta que o orbita, pode-se criar uma reta que terá intervalos de tempo iguais e varre áreas iguais.

3ª Lei: "Lei do Períodos"

        Os quadrados dos períodos orbitais dos planetas são proporcionais aos cubos dos semi-eixos maiores das órbitas (P² = ka³).

a = afélio (ponto na órbita em que o planeta estará mais distante do Sol)

p = periélio (ponto na órbita em que o planeta estará mais próximo do Sol)

Média aritmética entre a e p   -------------->   r = a + p/2 

r³/T² = Kp

r = maior semieixo da elipse

T = período

Kp = constante de proporcionalidade

Albert Einstein

Lei da Gravitação Universal de Newton

A lei da gravitação universal foi definida por Isaac Newton no séc. XVII e foi criada quando ele estudava as órbitas planetárias. A Lei afirma que existe uma atração que age entre todos os objetos, na razão direta de suas massas e inversa do quadrado de suas distancias. 

Conforme diz uma lenda, Isaac Newton estava em baixo de uma macieira e observou uma maçã cair no chão. Parou para pensar e concluiu que a fruta caia, pois alguma força puxava esta maçã para baixo. Newton foi além desse pensamento e fez a seguinte proposta: "Todos os corpos se atraem, e que essa atração se deve a massa dos corpos". No caso da maçã, o que a atraia era a Terra.

Para chegar a conclusão final da Lei da Gravitação, Newton fez estudos sobre o mecanismo que fazia com o que a lua girasse em torno da Terra, e se baseou também em descobertas feitas por outros físicos, como Johannes Kepler.

Com base nas Leis de Kepler, Newton conseguiu substituir a formulação geométrica das leis para o movimento planetário pela formulação física de sua famosa lei da Gravitação Universal do movimento. Com os estudos de Kepler foi possível saber como os planetas se movimentavam ao redor do Sol. Mas ainda restava a seguinte dúvida: “por que isso ocorria?”. Foi só com a Teoria da Gravitação Universal que isso foi respondido.

A teoria da gravitação mostra que os corpos se atraem mutuamente, isto é, um corpo cria em torno de si um campo gravitacional que é sentido por todos os outros corpos. Esse campo gravitacional é mais intenso quanto maior a massa do corpo, sendo proporcionalmente ao quadrado da distância. Essa é a razão porque a Terra está orbitando o Sol. 

As conseqüências dessas descobertas se estendem por todo o campo científico; elas abrem a porta à ciência moderna.


Disponível em: http://fisica-gravitacao.blogspot.com.br/2010/01/newton-e-lei-da-gravitacao-universal.html

Teoria das Cordas

Um dos maiores sonhos dos físicos, para muitos deles mesmo o maior, consiste em encontrar as quatro forças fundamentais unificadas (forças gravítica, electromagnética, nuclear fraca e nuclear forte). Tal unificação é muitas vezes denominada de Theory of Everything, TOE. Pretende-se em última análise unificar a relatividade geral e a mecânica quântica, já que as outras forças já se encontram unificadas. Uma das teorias concorrentes mais conhecidas é a Teoria de cordas.

As tentativas de chegar à TOE começaram ainda na primeira metade do século XX. Em 1919, o polaco Theodor Kaluza partiu das equações da relatividade geral e, desprezando as massas e expandindo o problema a cinco dimensões (quatro espaciais e uma temporal), unificou os campos gravitacional e electromagnético. Porém, para chegar a este resultado, teve de anular arbitrariamente a dependência da quinta dimensão durante a demonstração. Ora, se uma quinta dimensão não observável já levantava questões, o desaparecimento dela no decorrer da demonstração foi o argumento final que levou a que esta teoria fosse ignorada pela comunidade científica.

Em 1926, Oskar Klein resolveu o problema de Kaluza, propondo que uma das cinco dimensões se dobrava sobre si própria, deixando de poder ser observada, sendo o raio de curvatura da ordem dos 10^−35 m. Apesar de resolver certas questões em aberto (como a quantificação da carga), esta retificação previa a existência de novas partículas de massas tão grandes (da ordem da massa de Planck), que estava excluída a sua criação e, por isso, a sua observação.

Na década de 40, as diferenças significativas entre os momentos magnéticos dos prótons ou nêutrons e dos elétrons levantaram algumas dúvidas sobre o carácter pontual das partículas positiva e neutra do núcleo. Em 1943, Werner Heisenberg propõe que os prótons e os nêutrons sejam objetos extensos.

Numa época em que a mecânica quântica estava em plena expansão, estas ideias caíram em (quase) total esquecimento. Em 1968, Gabriele Veneziano observou um estranho fenômeno grande parte das propriedades da força nuclear forte eram descritas pela função beta de Euler, uma fórmula, pouco conhecida, que tinha sido escrita pelo matemático Leonard Euler, 200 anos antes. Tal descoberta chamou a atenção da comunidade científica, destacando-se três físicos (Yoichiro Nambu, Holger Nielsen e Leonard Susskind) que demonstraram que as partículas elementares, consideradas como cordas, objetos a uma dimensão, e não como pontos, eram perfeitamente descritas pela função beta de Euler. Nasceu assim a Teoria de Cordas.

No início da década de 70, várias experiências levaram a resultados bastante ímpares das previsões efetuadas pela nova teoria. O principal problema surgiu em padrões vibracionais que eram previstos pela teoria, mas não observados experimentalmente. Este problema foi rapidamente resolvido, tendo-se verificado que estes padrões em excesso correspondiam aos gravites que já tinham sido teoricamente previstos. Porém, esta descoberta não foi devidamente aceite pela comunidade científica, surgindo grande discórdia entre os apoiantes da Teoria de Cordas e os defensores das teorias das partículas pontuais. Assim, mais uma vez, a teoria caiu no esquecimento.

Foi também no início da década de 70 que surgiu a ideia da supersimetria, segundo a qual há simetria entre bósons e férmios. Esta ideia surgiu em dois contextos: na Teoria de Campos que descreve partículas pontuais e na Teoria de Cordas, em consequência da introdução dos férmios. Surgiu aqui uma ponte entre duas teorias tidas então como opostas.

Em 1980, Michael Green e John Schwarz ligaram melhor a Teoria de Cordas e a Mecânica Quântica, demonstrando que a Teoria de Cordas abrange as quatro forças fundamentais e toda a matéria existente. Nasceu então a Teoria das Supercordas, que junta a Teoria das Cordas e a Supersimetria. Iniciou-se a 1.ª Revolução das Supercordas, tendo sido, entre 1984 e 1986, publicados centenas de trabalhos sobre este tema. Segundo a nova teoria, as partículas passaram a ser vistas como pequenas cordas a vibrar em vez de serem pontos. Foi nesta altura que a Teoria de Cordas passou a ser aceita por numerosos físicos como uma teoria capaz de fazer a grande unificação. O problema principal associado à Teoria de Cordas, que ainda hoje é a razão de algum do seu descrédito, é a necessidade de espaços a 10 dimensões para os férmios e a 26 dimensões para os bósons.

Havendo uma ligação entre a Mecânica Quântica e a Teoria de Cordas, redobravam-se os esforços para reforçar a teoria, em particular ligando a Teoria das Cordas com a Teoria dos Quarks. Pensou-se que os quarks podiam ser as extremidades das cordas, surgindo assim uma possível razão para que os quarks não fossem observados isoladamente: tal como acontece nos imãs ao quebrar uma corda ter-se-iam duas cordas, com dois quarks cada nas extremidades.

Em 1994 iniciou-se a 2.ª Revolução das Supercordas (que durou até 1997), que foi desencadeada pela descoberta de Edward Witten de que as várias versões da Teoria das Supercordas consistiam afinal de diferentes limites de uma nova teoria a 11 dimensões, a Teoria M. Joseph Polchinski descobriu que esta teoria requer objetos com mais dimensões, os chamados D-branes, que abriram caminho para a construção de novos modelos cosmológicos.

Nos dias de hoje, prosseguem intensivamente os estudos sobre este tema. Estão mais direcionados para a verificação experimental, para a procura e retificação de falhas na simetria e para o aperfeiçoamento de alguns aspectos geométricos da teoria. Tendo em conta a rapidez com que estes estudos têm surgido, poderá estar em breve uma Teoria de Grande Unificação. Alguns especialistas do século XXI  acreditam que será o século da TOE.

Disponível em: http://historiadafisicauc.blogspot.com.br/2011/06/teoria-de-cordas-uma-candidata-teoria.html