Como funciona a gravidade?

Como funciona a gravidade? É a força que faz as coisas caírem e que mantém a Lua girando em torno da Terra e os planetas em órbita do Sol.

Segundo a Agência Espacial Europeia (ESA), a gravidade é sempre uma força de atração, ou seja, só puxa e nunca empurra, e é gerada por qualquer objeto que tenha massa.

Ao longo da história, a ciência deu duas respostas para essa pergunta. A primeira, de Isaac Newton, descreve como a gravidade age. A segunda, de Albert Einstein, explica o que ela é.

Explicado de forma simples

Pense em uma bola de boliche colocada em uma cama elástica. Ela afunda o tecido e faz uma depressão. Uma bolinha de gude rolando perto dela tende a se encaminhar para o centro da depressão.

Essa imagem é usada para explicar a gravidade segundo Einstein. Ela ajuda a entender a ideia, mas não deve ser levada ao pé da letra, porque o espaço-tempo tem três dimensões de espaço e uma de tempo.

Galileu: todos os objetos caem igual

Segundo o Plus, da Universidade de Cambridge, o astronauta David Scott confirmou na Lua, durante a missão Apollo 15, uma previsão de Galileu feita quase 400 anos antes. Ele soltou ao mesmo tempo um martelo e uma pena, e os dois atingiram o chão ao mesmo tempo.

Segundo a ESA, Galileu foi um dos primeiros cientistas a investigar o movimento dos objetos, antes de Newton estudar a gravidade.

Na Terra, o efeito não aparece com tanta clareza, porque a resistência do ar atrapalha a queda da pena. A atmosfera da Lua é bem mais fina, por isso o experimento funcionou.

Newton: a força de atração

Segundo o Plus, cerca de cem anos depois de Galileu, Isaac Newton percebeu que a força que puxa uma bola de canhão para o chão é a mesma que mantém a Lua em órbita da Terra e os planetas em órbita do Sol.

Ele formulou a lei da gravitação universal, segundo a qual dois corpos se atraem com uma força que depende de suas massas e da distância entre eles, por meio de uma constante gravitacional.

Segundo a ESA, Newton publicou essa lei em 1687, e ela explicava tanto a queda dos objetos na Terra quanto o movimento dos planetas no céu.

Segundo o Plus, a teoria de Newton funciona muito bem na maior parte das situações. Para levar uma nave até a Lua, por exemplo, ela é toda a física necessária.

O problema de Mercúrio

Segundo a ESA, a teoria de Newton tinha uma exceção. A órbita elíptica de Mercúrio gira lentamente em torno do Sol, um fenômeno chamado precessão. A teoria de Newton não conseguia explicar esse movimento.

Essa falha foi um dos primeiros sinais de que a gravidade precisava de uma explicação mais profunda.

Einstein: a curvatura do espaço-tempo

Segundo o Plus, Einstein percebeu um conflito. Pela teoria de Newton, a gravidade age instantaneamente a grandes distâncias. Pela relatividade especial, porém, nada pode viajar mais rápido que a luz, nem mesmo a gravidade. Por isso, a teoria de Newton não poderia estar completamente correta.

Em 1915, ele publicou a relatividade geral. Segundo a ESA, nessa teoria a gravidade é descrita como uma deformação do espaço-tempo causada pela presença de objetos massivos. Essa deformação diz aos corpos menores como se mover. Eles entram em órbita ou caem sobre o corpo maior.

Segundo o Plus, Einstein tirou inspiração da ideia de Galileu de que, perto da Terra, a gravidade afeta todos os objetos do mesmo modo. Isso sugeria que a gravidade pudesse ser uma propriedade do espaço-tempo, e não dos objetos em si.

Assim, a Terra e o Sol não emitem uma força de atração. Eles curvam o próprio espaço-tempo, e os objetos seguem essa curvatura.

Como a teoria foi testada

Segundo o Plus, a relatividade geral explicou a precessão de Mercúrio. A órbita do planeta não é uma elipse fechada, mas um caminho próximo de uma elipse, e Einstein mostrou que essa forma é consequência direta de sua teoria.

Outro teste veio com a luz.

Segundo o Plus, as duas teorias preveem que a luz de estrelas distantes será desviada ao passar perto do Sol, mas com valores diferentes.

Em 1919, duas expedições lideradas pelo astrônomo britânico Arthur Eddington observaram um eclipse solar, uma delas no Brasil. As medições mostraram que a posição das estrelas tinha se deslocado exatamente como a teoria de Einstein previa.

Segundo a ESA, diversas previsões surpreendentes da relatividade geral foram observadas nas décadas seguintes.

Entre elas, a relatividade geral previu que a luz perde energia ao escapar de um campo gravitacional. Por isso, o sistema GPS precisa levar esse efeito em conta para determinar a posição exata de seus usuários.

Ondas gravitacionais

Segundo a ESA, a relatividade geral prevê que certos objetos celestes emitem ondas gravitacionais, que se propagam pela estrutura do espaço-tempo. Elas foram detectadas pela primeira vez em 2015 pelo observatório LIGO, e o anúncio foi feito em 11 de fevereiro de 2016.

Segundo o Plus, a relatividade geral também previu fenômenos como os buracos negros, que hoje são observados.

Gravidade e matéria escura

Segundo a ESA, algumas observações sugerem que existe mais gravidade no Universo do que a relatividade geral consegue explicar.

Um exemplo citado é a desaceleração de sondas como as Pioneer 10 e 11, cuja causa ainda não foi identificada. Algumas galáxias também giram como se gerassem mais gravidade do que parece possível.

Uma explicação possível é a existência de grandes quantidades de matéria escura. Outra é que a relatividade geral não seja a teoria final da gravidade.

Mitos sobre a gravidade

“A gravidade só existe na Terra.” Mito. Segundo a ESA, qualquer objeto com massa gera gravidade. Ela age do mesmo modo na Lua, nos planetas e nas estrelas.

“A gravidade empurra os objetos para baixo.” Mito. Segundo a ESA, ela é uma força puramente atrativa. Ela puxa, e nunca empurra.

“Einstein provou que Newton estava errado em tudo.” Mito. Segundo o Plus, a teoria de Newton continua funcionando muito bem na maior parte das situações. A relatividade geral a ajusta e explica casos em que ela não bastava.

Perguntas frequentes

Por que a gravidade parece mais fraca na Lua?

A Lua tem menos massa que a Terra, e por isso exerce uma atração menor sobre os objetos. Pela lei de Newton, a força depende das massas e da distância entre elas.

Resumindo

• Segundo a ESA, a gravidade é uma força de atração gerada por qualquer objeto com massa.

• Newton descreveu, em 1687, a lei da gravitação universal, que funciona muito bem na maior parte das situações.

• Einstein, em 1915, explicou a gravidade como a curvatura do espaço-tempo causada pela massa.

• A relatividade geral explicou a órbita de Mercúrio e foi confirmada por medições da luz durante um eclipse em 1919.

• Ainda há questões em aberto, como a matéria escura, e as ondas gravitacionais foram detectadas em 2015.

Veja também como se formam os planetas e o que é uma estrela, outros temas do Universo explicados de forma simples.

Fontes

• ESA, What is gravity?: https://esa.int/Our_Activities/Space_Science/What_is_gravity

• Plus Maths, Universidade de Cambridge, Our changing picture of gravity (1 de agosto de 2019): https://plus.maths.org/changing-picture-gravity