O tecido do espaço-tempo é um modelo conceitual que combina as três dimensões do espaço com a quarta dimensão do tempo. De acordo com as melhores teorias físicas atuais, o espaço-tempo explica os efeitos relativísticos incomuns que surgem ao viajar perto da velocidade da luz, bem como o movimento de objetos maciços no universo.
Quem descobriu o espaço-tempo?
O famoso físico Albert Einstein ajudou a desenvolver a idéia do espaço-tempo como parte de sua teoria da relatividade. Antes de seu trabalho pioneiro, os cientistas tinham duas teorias separadas para explicar os fenômenos físicos: as leis da física de Isaac Newton descreviam o movimento de objetos maciços, enquanto os modelos eletromagnéticos de James Clerk Maxwell explicavam as propriedades da luz, de acordo com a NASA.
Porém, experimentos realizados no final do século XIX sugeriram que havia algo de especial na luz. As medições mostraram que a luz sempre viajava na mesma velocidade, não importa o quê. E em 1898, o físico e matemático francês Henri Poincaré especulou que a velocidade da luz poderia ser um limite insuperável. Na mesma época, outros pesquisadores estavam considerando a possibilidade de os objetos mudarem de tamanho e massa, dependendo de sua velocidade.
Einstein reuniu todas essas idéias em sua teoria da relatividade especial de 1905, que postulava que a velocidade da luz era uma constante. Para que isso fosse verdade, o espaço e o tempo tiveram que ser combinados em uma única estrutura que conspirou para manter a velocidade da luz igual para todos os observadores.
Uma pessoa em um foguete super rápido mede o tempo para se mover mais devagar e os comprimentos dos objetos para serem mais curtos em comparação com uma pessoa que viaja a uma velocidade muito mais lenta. Isso ocorre porque o espaço e o tempo são relativos - eles dependem da velocidade do observador. Mas a velocidade da luz é mais fundamental que qualquer um.
A conclusão de que o espaço-tempo é um único tecido não foi alcançada por Einstein por ele mesmo. Essa idéia veio do matemático alemão Hermann Minkowski, que disse em um colóquio de 1908: "Doravante, o espaço por si só e o tempo por si só estão fadados a desaparecer em meras sombras, e apenas um tipo de união dos dois preservará uma realidade independente. . "
O espaço-tempo que ele descreveu ainda é conhecido como espaço-tempo de Minkowski e serve como pano de fundo dos cálculos tanto na relatividade quanto na teoria dos campos quânticos. Este último descreve a dinâmica das partículas subatômicas como campos, de acordo com o astrofísico e escritor de ciências Ethan Siegel.
Como o espaço-tempo funciona
Hoje em dia, quando as pessoas falam sobre espaço-tempo, costumam descrevê-lo como uma folha de borracha. Isso também vem de Einstein, que percebeu ao desenvolver sua teoria da relatividade geral que a força da gravidade se devia a curvas no tecido do espaço-tempo.
Objetos maciços - como a Terra, o sol ou você - criam distorções no espaço-tempo que fazem com que ele se dobre. Essas curvas, por sua vez, restringem a maneira como tudo no universo se move, porque os objetos precisam seguir caminhos ao longo dessa curvatura distorcida. O movimento devido à gravidade é na verdade o movimento ao longo das voltas e reviravoltas do espaço-tempo.
Uma missão da NASA chamada Gravity Probe B (GP-B) mediu a forma do vórtice espaço-tempo ao redor da Terra em 2011 e descobriu que está de acordo com as previsões de Einstein.
Mas muito disso permanece difícil para a maioria das pessoas. Embora possamos discutir o espaço-tempo como sendo semelhante a uma folha de borracha, a analogia acaba por falhar. Uma folha de borracha é bidimensional, enquanto o espaço-tempo é quadridimensional. Não são apenas distorções no espaço que a folha representa, mas também distorções no tempo. As complexas equações usadas para explicar tudo isso são complicadas para os físicos trabalharem.
"Einstein fez uma máquina bonita, mas não nos deixou exatamente o manual do usuário", escreveu o astrofísico Paul Sutter para o site irmão da Live Science, Space.com. "Apenas para esclarecer a questão, a relatividade geral é tão complexa que, quando alguém descobre uma solução para as equações, recebe o nome da solução e se torna semi-lendário por si só".
O que os cientistas ainda não sabem
Apesar de sua complexidade, a relatividade continua sendo a melhor maneira de explicar os fenômenos físicos que conhecemos. No entanto, os cientistas sabem que seus modelos são incompletos porque a relatividade ainda não está totalmente reconciliada com a mecânica quântica, o que explica as propriedades das partículas subatômicas com extrema precisão, mas não incorpora a força da gravidade.
A mecânica quântica baseia-se no fato de que os pequenos pedaços que compõem o universo são discretos ou quantizados. Portanto, os fótons, as partículas que compõem a luz, são como pequenos pedaços de luz que vêm em pacotes distintos.
Alguns teóricos especularam que talvez o próprio espaço-tempo também ocorra nesses pedaços quantizados, ajudando a colmatar a relatividade e a mecânica quântica. Pesquisadores da Agência Espacial Européia propuseram a missão do Laboratório Internacional de Astronomia de Raios Gama para Exploração Quântica do Espaço-Tempo (GrailQuest), que voaria ao redor do nosso planeta e faria medições ultra-precisas de explosões distantes e poderosas chamadas explosões de raios gama que poderia revelar a natureza próxima do espaço-tempo.
Essa missão não seria lançada por pelo menos uma década e meia, mas, se fosse, talvez ajudasse a resolver alguns dos maiores mistérios que ainda restam na física.
