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Pergunte a Ethan No. 11: Por que a gravidade diminui com a distância?

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Um objeto exótico, que consiste em uma pequena estrela pesada girando a uma velocidade de 25 vezes por segundo, em torno da qual uma anã branca gira com um período de duas horas e meia (na visão do artista). Este é um pulsar PSR J0348 + 0432, emitindo ondas gravitacionais. E, embora não possam ser medidos diretamente da Terra, pode-se medir mudanças na órbita associadas à perda de energia pelo sistema.

Eu não reconheceria o espaço-tempo ou uma falha no núcleo do teletransporte, mesmo que eles se arrastassem para a minha cama.
- Patrick Stewart

O leitor pergunta:
Por que a gravidade diminui com a distância do objeto? Eu li que diminui de acordo com a lei dos quadrados inversos, mas sem explicar o porquê.

A pergunta é simples, mas é necessária uma resposta completa.

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A física e a ciência como um todo geralmente não tratam da questão do "porquê" em conexão com os fenômenos naturais - geralmente apenas "como" é estudado. Dê uma teoria, um conjunto de leis e objetos físicos com propriedades dadas - e a ciência lhe dirá como eles se comportarão dentro da teoria. O mesmo acontece com a gravidade.

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Durante séculos, a gravidade newtoniana tem sido a teoria mais bem-sucedida que descreve forças atuando em larga escala. Ela disse que todos os objetos do Universo que têm massa atraem todos os outros objetos maciços. E a força da atração é proporcional à massa de ambos os objetos e inversamente proporcional à distância entre eles.



É fácil calcular essa lei em computadores modernos, e o ajuste da teoria às observações é excelente.

Mas você pode dizer algo inteligente sobre por que a gravidade funciona dessa maneira? Considere nossos vizinhos espaciais mais próximos.

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Ao redor do Sol, a maior massa do nosso sistema, todos os outros objetos, de planetas a asteróides e cometas, voam em círculos e elipses. Curiosamente, círculos e elipses são órbitas fechadas estáveis ​​- esses objetos sempre retornam ao mesmo ponto, após um lapso de tempo, que chamamos de ano.

Isso por si só, do ponto de vista da matemática, é bastante interessante. As forças são vetores, têm magnitude e direção. No sistema solar, as forças que atuam nos objetos são direcionadas para o centro do sol. Se você precisa de algo para voar ao redor do sol em uma órbita fechada, você tem apenas duas opções.

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Você precisa de uma força que obedeça à lei dos quadrados inversos (gravidade) ou de uma força que aumente linearmente com a distância (mola). Existe um teorema que prova que, além dessas duas possibilidades, não existem outras.

Portanto, pode aumentar ou diminuir com a distância, mas apenas de uma maneira, caso contrário, não teremos órbitas fechadas estáveis.

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E como são precisamente essas órbitas necessárias para temperaturas estáveis ​​e moderadas às quais a vida pode existir, temos muita sorte de o Universo funcionar de acordo com essas leis.

Existem forças que aumentam com a distância - por exemplo, forte interação. Existe até um exemplo de uma força que não tem direção e que é constante - energia escura.

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Mas a lei dos quadrados inversos não é tudo o que se pode dizer sobre a gravidade. Além disso, como existe uma órbita aberta em nosso sistema, precisamos substituir a gravidade newtoniana por uma teoria geral mais recente da relatividade.



A órbita de Mercúrio experimenta uma precessão e não se trava. Este foi o primeiro sino relatando a imperfeição da teoria newtoniana. Meio século foi gasto na solução desse problema e no surgimento de GR. E percebemos que a gravidade não segue exatamente a lei dos quadrados inversos - essa é apenas uma aproximação válida para grandes distâncias e pequenas massas e energias.

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Temos um monte de novas previsões, confirmadas por experimentos, incluindo lentes gravitacionais da luz, outras mecânicas de corpos massivos em órbita a curtas distâncias, desvio para o vermelho gravitacional e muito mais.

Mas a principal conclusão foi que os corpos que se movem em órbitas, estritamente falando, não obedecem à lei dos quadrados inversos.

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Todas as órbitas, de acordo com a relatividade geral, nascem de forças levemente mais fortes que a lei dos quadrados inversos; portanto, diminuem com o tempo. Os planetas internos são os primeiros a deixar suas órbitas, seguidos por mundos mais distantes, pois a distância até eles é maior. No final, na ausência de outras forças, tudo chegará em espiral ao centro de gravidade do sistema.
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Se a Terra girasse em torno do sol infinitamente vivo, levaria 10 150 anos para desaparecer completamente da órbita. Órbitas realmente estáveis ​​e fechadas no Universo simplesmente não existem.

Pelo menos de acordo com a GTR - a melhor teoria atualmente descrevendo a gravidade. Para pequenas massas e grandes distâncias, degenera na teoria newtoniana clássica.

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Mas por que a GTR controla a gravidade no Universo exatamente dessa maneira? Ninguém pode dizer com certeza.

Portanto, você deve se contentar com a resposta padrão: a gravidade funciona assim, porque as leis da natureza são muito organizadas. É possível imaginar o universo com outras leis - mas temos uma e não entendemos realmente por que as leis são organizadas dessa maneira. Podemos fazer observações, derivar leis, verificá-las - e talvez um dia possamos entender por que elas são assim.

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