Marcos Benedetti

Gravidade

A gravidade é a interação que associamos à massa e à energia. Em escalas astronômicas, ela domina o comportamento de planetas, estrelas, galáxias e sistemas planetários.

Na descrição de Einstein, a gravidade não é simplesmente uma força transmitida por uma partícula: massa e energia curvam o espaço-tempo, e os corpos seguem essa geometria.

A relação entre tempo e gravidade é uma das consequências mais fascinantes da Relatividade Geral de Einstein. A ideia central é:

Quanto mais intenso é o campo gravitacional, mais lentamente o tempo passa em relação a uma região onde a gravidade é mais fraca.

Isso é chamado de dilatação gravitacional do tempo.

Na Física de Newton, imaginava-se que o tempo era absoluto: um relógio deveria marcar o mesmo tempo em qualquer lugar.

Einstein mostrou que isso não é verdade. Espaço e tempo formam uma única estrutura: o espaço-tempo.

Uma grande concentração de massa e energia modifica a geometria do espaço-tempo.

Podemos representar de maneira simplificada:

Massa → curvatura do espaço-tempo → movimento dos corpos + passagem diferente do tempo

Assim, a gravidade não é apenas uma “força que puxa”. Na Relatividade Geral, ela está relacionada à geometria do espaço-tempo.

Imagine dois relógios atômicos:

• Relógio A: na superfície da Terra.
• Relógio B: em uma montanha.

O relógio que está mais próximo do centro da Terra está em um campo gravitacional ligeiramente mais intenso.

Consequentemente:

Relógio A → tempo passa ligeiramente mais devagar

Relógio B → tempo passa ligeiramente mais rápido

A diferença é extremamente pequena no cotidiano, mas pode ser medida experimentalmente.

E isso não é apenas uma previsão teórica: relógios atômicos conseguem medir essa diferença.

Esse é um dos exemplos mais importantes.

Os satélites GPS estão aproximadamente a 20.200 km de altitude. Portanto, estão em uma região onde a gravidade terrestre é mais fraca do que na superfície.

Por causa disso, o relógio do satélite tende a passar mais rapidamente que um relógio na Terra.

Mas existe outro efeito:

o satélite está se movendo rapidamente, e a Relatividade Especial faz o relógio em movimento passar mais lentamente.

Portanto, no GPS temos dois efeitos simultâneos:

Sem essas correções relativísticas, o sistema GPS acumularia erros de posicionamento muito rapidamente.

Isso nos leva a uma conclusão muito interessante:

gravidade e tempo não são fenômenos independentes.

A distribuição de massa e energia determina a geometria do espaço-tempo, e essa geometria determina como relógios e objetos se comportam.

Uma maneira simplificada de visualizar é:

             MASSA
               ↓
       CURVATURA DO
       ESPAÇO-TEMPO
          ↙       ↘
         ↓         ↓
   trajetória    passagem
   dos corpos    do tempo

Por isso, quando falamos que “a gravidade afeta o tempo”, estamos falando de algo muito mais profundo do que simplesmente um relógio mecânico funcionando mais devagar.

O próprio intervalo de tempo entre acontecimentos depende da geometria do espaço-tempo.

Na Física de partículas existe a hipótese de uma partícula chamada gráviton, que seria o quantum do campo gravitacional. Entretanto, o gráviton ainda não foi observado experimentalmente e uma teoria quântica completa da gravidade ainda não foi estabelecida.

Exemplos:

• A queda de um objeto na superfície da Terra.
• A órbita da Lua ao redor da Terra.
• A órbita da Terra ao redor do Sol.
• A formação e evolução das estrelas.
• As órbitas das galáxias e dos sistemas planetários.

Eletromagnetismo — mediador: fóton

A interação eletromagnética atua sobre partículas que possuem carga elétrica. Seu mediador é o fóton, representado por γ.

O eletromagnetismo explica uma enorme quantidade de fenômenos presentes no nosso cotidiano.

Exemplos:

• Corrente elétrica em um fio.
• Funcionamento de motores elétricos.
• Ímãs e campos magnéticos.
• Ondas de rádio.
• Luz visível.
• Micro-ondas.
• Interação entre elétrons e núcleos atômicos.

Um exemplo simples é o átomo de hidrogênio. O próton possui carga positiva e o elétron possui carga negativa. A interação eletromagnética mantém o elétron ligado ao átomo.

Interação forte — mediador: glúon

A interação forte é responsável pela interação entre partículas que possuem carga de cor, principalmente os quarks e os próprios glúons. Seu mediador é o glúon.

Os quarks formam partículas compostas como prótons e nêutrons. Um próton, por exemplo, é constituído por dois quarks up e um quark down:

próton = u + u + d

Um nêutron é formado por:

nêutron = u + d + d

Os glúons mantêm os quarks ligados por meio da interação forte. Uma característica importante é o confinamento: quarks não são observados isoladamente em condições normais.

Existe ainda uma distinção importante. A interação forte entre quarks é responsável pela estrutura dos hádrons. Já a força que mantém prótons e nêutrons unidos dentro do núcleo é frequentemente descrita, em nível nuclear, como uma interação forte residual.

Exemplos:

• Estrutura dos prótons.
• Estrutura dos nêutrons.
• Estabilidade dos núcleos atômicos.
• Interações entre hádrons.

Os glúons  não possuem carga elétrica, mas possuem carga de cor.

Existem três tipos básicos de carga de cor:

• vermelho;
• verde;
• azul.

E suas correspondentes anticolorações.

Diferentemente do fóton, os glúons também interagem entre si, porque carregam carga de cor.

Isso é uma característica fundamental da força forte.

Interação fraca — mediadores: W⁺, W⁻ e Z⁰

A interação fraca é responsável por vários processos nos quais uma partícula elementar se transforma em outra. Seus mediadores são os bósons W⁺, W⁻ e Z⁰.

Um dos exemplos mais conhecidos é o decaimento beta. Em um tipo de decaimento beta, um quark down transforma-se em um quark up, emitindo um bóson W⁻:

d → u + W⁻

O W⁻ posteriormente decai, por exemplo, em um elétron e um antineutrino eletrônico:

W⁻ → e⁻ + ν̄_e

O resultado global é uma transformação envolvendo um nêutron e um próton:

n → p + e⁻ + ν̄_e

Exemplos:

• Decaimento beta radioativo.
• Transformações entre quarks.
• Interações envolvendo neutrinos.
• Processos nucleares que ocorrem no interior das estrelas.
• Parte das reações responsáveis pela energia produzida pelo Sol.

Aqui temos algo mais parecido com a ideia tradicional de polaridade.

O:

W⁺ → carga elétrica +1

e o:

W⁻ → carga elétrica −1

Por isso eles podem participar de processos nos quais a carga elétrica é transferida.

Por exemplo:

n → p + W⁻

seguido de:

W⁻ → e⁻ + antineutrino

A carga fica conservada:

0 → (+1) + (−1) + 0

4. E o Z⁰?

O Z⁰ é eletricamente neutro.

Portanto, não existe um Z⁺ e um Z⁻ correspondentes.

Ele participa das chamadas correntes neutras da interação fraca.