Descoberta nova forma de visualizar deformação do espaço-tempo

Site Inovação Tecnológica

Baseado em artigo de Marcos Woo - 14/04/2011

Quando dois buracos negros colidem, o espaço-tempo ao redor ondula como o mar durante uma tempestade.

Essa deformação do espaço e do tempo é tão complicada que os físicos não têm sido capazes de compreender em detalhes o que realmente acontece lá.

Pelo menos não até agora.

Estes são vórtices em formato de anel ejetados por um buraco negro estelar, pulsante. No centro há duas linhas vortex vermelhas e duas azuis ligadas ao buraco, que serão ejetadas como um terceiro vórtex em formato de anel na próximo pulsação do buraco negro.[Imagem: The Caltech/Cornell SXS Collaboration]

Deformação do espaço-tempo

"Nós descobrimos uma forma de visualizar o espaço-tempo deformado como nunca antes tinha sido possível," conta Kip Thorne, físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos Estados Unidos.

Combinando teoria com simulações de computador, Thorne e seus colegas desenvolveram ferramentas conceituais que eles apelidaram de linhas tendex e linhas vortex.

As linhas tendex e vortex descrevem as forças gravitacionais geradas pelo espaço-tempo deformado - elas são análogas às linhas dos campos elétrico e magnético, que descrevem as forças elétricas e magnéticas.

Usando suas novas ferramentas, eles descobriram que as colisões de buracos negros podem produzir linhas de vórtices que formam um padrão em forma de anel, espalhando-se a partir do novo buraco negro formado pela fusão, parecidos como anéis de fumaça.

Os pesquisadores também descobriram que esses feixes de linhas vórtex podem espiralar do buraco negro como a água que sai de um aspersor rotativo usado na irrigação de jardins.

Linhas tendex e linhas vortex

As linhas tendex descrevem a força de estiramento que o espaço-tempo deformado exerce sobre tudo o que encontra em seu caminho.

"As linhas tendex que saem da Lua levantam as marés nos oceanos da Terra," explica David Nichols, coautor da pesquisa e quem cunhou o termo "tendex".

Uma linha tendex irá rasgar qualquer coisa que se aproxime de um buraco negro.

As linhas vortex, ou vórtex, por outro lado, descrevem a torção do espaço - imagine uma toalha caindo aberta em um buraco negro: as linhas vórtex a farão torcer, como quando alguém torce uma toalha para lhe retirar o excesso de água.

Quando se agrupam muitas linhas tendex, elas criam uma região de forte alongamento, chamado tendex. Da mesma forma, um feixe de linhas vortex cria uma região que gira no espaço, chamado vórtice.

Ferramentas para a relatividade

O conceito de linhas tendex e linhas vortex representa uma maneira nova e interessante para entender os buracos negros, a gravidade e a natureza do Universo.

"Usando essas ferramentas, nós podemos agora interpretar muito melhor a enorme quantidade de dados que são produzidos em nossas simulações de computador," diz o Dr. Mark Scheel, responsável pelas simulações.

Os novos conceitos podem explicar, por exemplo, as diferenças nas ondas gravitacionais geradas quando os buracos negros colidem sob diferentes ângulos.

Há vários experimentos em andamento e projetados que tentam detectar ondas gravitacionais, e o novo aparato teórico pode ser útil para que os cientistas entendam exatamente o que eles estão detectando.

Na verdade, segundo eles, o conceito de linhas tendex e vortex deverá se tornar uma ferramenta padrão em todos os estudos no campo da relatividade.

Bibliografia:

Frame-dragging vortexes and tidal tendexes attached to colliding black holes: Visualizing the curvature of spacetime.

Robert Owen, Jeandrew Brink, Yanbei Chen, Jeffrey D. Kaplan, Geoffrey Lovelace, Keith D. Matthews, David A. Nichols, Mark A. Scheel, Fan Zhang, Aaron Zimmerman, Kip S. Thorne

Physical Review Letters

April 11, 2011

Vol.: 106, 151101

DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.151101

Exposição mostra manuscritos originais da teoria da relatividade geral

O professor Hanoch Gutfreund, curador da exibição, mostra papéis escritos por Albert Einstein. A exposição em Jerusalém mostra pela primeira vez 46 páginas originais da teoria da relatividade geral, concluída em 1915 e publicada no ano seguinte. A descoberta de Einstein traz importantes conclusões sobre as relações entre a gravidade, o tempo e o espaço. (Foto: Ronen Zvulun/Reuters)

Vários manuscritos originais de Albert Einstein estão disponíveis na internet no site Einstein Archives Online.

Novas propostas sobre as estruturas do espaço-tempo poderiam proporcionar pistas sobre a teoria da gravidade quântica?

Achim Kempf da Universidade de Waterloo é físico-matemático que tem trabalhado nas questões associadas a teoria da informação, teoria quântica e relatividade geral.







Esta concepção artística mostra a Gravity Probe B orbitando a Terra para medir o espaço-tempo. Um novo estudo propõe que o espaço-tempo poderia ser tanto contínuo como discreto simultaneamente. Crédito: NASA.

O espaço-tempo, definido por três dimensões espaciais e uma temporal, é um conceito tão grande e abstrato que os cientistas têm dificuldades não só para defini-lo como também para compreendê-lo. Além disso, diversas teorias nos oferecem visões diferentes e contraditórias sobre a estrutura do espaço-tempo. Enquanto a teoria da relatividade geral descreve o espaço-tempo como um tecido contínuo, as teorias de campo quântico requerem que o espaço-tempo seja constituído de pontos discretos. Unificar estas duas teorias em uma única teoria da gravidade quântica é atualmente um dos maiores problemas não resolvidos da física.

Em uma tentativa de compreender melhor a estrutura do espaço-tempo, o físico e matemático Achim Kempf da Universidade de Waterloo propôs uma nova possível estrutura para o espaço-tempo na escala de Planck. Kempf sugere que o espaço-tempo poderia ser tanto contínuo como discreto ao mesmo tempo, satisfazendo conceitualmente as teorias da relatividade genal e as teorias de campo quântico simultaneamente. A proposta de Kempf está inspirada na teoria da informação, uma vez que a informação por sua vez pode ser tanto contínua quanto discreta. Seu estudo foi publicado em um recente exemplar da revista Physical Review Letters.

“Há escolas de pensamento em feroz competição, cada uma com bons argumentos, sobre se o espaço-tempo é fundamentalmente discreto (como, por exemplo, nos modelos de espuma de spin) ou contínuo (como, por exemplo, na teoria de cordas)”, disse Kempf a PhysOrg.com. “A nova aproximação teórica a partir da teoria da informação talvez permita que um que nós consiga construir pontes tanto conceituais quanto matemáticas entre estas duas escolas de pensamento”.

Como explica Kempf, a estrutura matemática associada à teoria da informação utilizada nesta ferramenta proposta é a teoria da amostragem – isto é, amostras tomadas em um conjunto discreto genérico de pontos que podemos usar para reconstruir a formato da informação (o espaço-tempo) em qualquer ponto até um limite específico de corte. No caso do espaço-tempo, este limite seria a fronteira inferior do ultravioleta natural, se existir. Este limite inferior também pode ser pensado como um princípio de incerteza de comprimento mínimo, além do qual as propriedades estruturais das partículas não podem ser estabelecidas com maior precisão.
A teoria da amostragem como ferramenta do espaço-tempo?

Em seu estudo, Kempf desenvolve uma teoria de amostragem que pode ser generalizada para ser aplicada ao espaço-tempo. Ele demonstra que uma densidade finita dos pontos de uma amostra obtidos através da estrutura do espaço-tempo pode proporcionar aos cientistas a forma do espaço-tempo desde grandes escalas de comprimento de onda do espectro de radiação até o limite natural das freqüências do ultravioleta. Além disso, Kempf demonstra que esta expressão estabelece uma equivalência entre as representações discretas e contínuas do espaço-tempo. Desta forma, o novo marco para amostragem e reconstrução do espaço-tempo poderia ser usado em várias aproximações da gravidade quântica fornecendo às estruturas discretas uma representação contínua.

“Tem se tornado extraordinariamente difícil obter dados experimentais que poderiam guiar-nos na procura da teoria que unifique a teoria quântica com a relatividade general”, disse Kempf. “A proposta de que o espaço-tempo é simultaneamente contínuo e discreto do mesmo modo que a informação pode servir como o guia teórico para este princípio. O princípio aponta na direção de uma teoria na qual todos os processos naturais são vistos como possuidores de uma largura de banda universal finita”.
Nova ferramenta para antigos problemas?

Kempf adiciona que pelo menos a nova aproximação proporciona algumas ferramentas técnicas práticas para os estudos de gravidade quântica, tais como resolver problemas discretos e usar métodos contínuos. Kempf planeja aplicar em breve os novos métodos visando solucionar um conjunto de diversos problemas.

“Estou planejando usar os novos métodos da teoria de informação para abordar de uma forma nova as velhas questões da teoria da informação na gravidade quântica, tais como a paradoxo da perda de informação nos buracos negros e o papel do principio holográfico na teoria de campo quântico”, finalizou Kempf.