Quando pensamos na gravidade, normalmente pensamos nela como uma força entre as massas. Quando você pisa em uma escala, por exemplo, o número na escala representa a atração da gravidade da Terra sobre a sua massa, dando-lhe peso. É fácil imaginar a força gravitacional do Sol segurando os planetas em suas órbitas, ou a atração gravitacional de um buraco negro. Forças são fáceis de entender como empurrões e puxões.

Mas agora entendemos que a gravidade como uma força é apenas parte de um fenômeno mais complexo descrito na teoria da relatividade geral. Embora a relatividade geral seja uma teoria elegante, é um afastamento radical da ideia da gravidade como uma força. Como Carl Sagan disse uma vez, “Alegações extraordinárias requerem provas extraordinárias”, e a teoria de Einstein é uma alegação muito extraordinária. Mas acontece que existem várias experiências extraordinárias que confirmam a curvatura do espaço e do tempo.

A chave da relatividade geral reside no facto de que tudo num campo gravitacional cai ao mesmo ritmo. Fica de pé na Lua e deixa cair um martelo e uma pena, e eles vão atingir a superfície ao mesmo tempo. O mesmo é verdade para qualquer objecto independentemente da sua massa ou composição física, e isto é conhecido como o princípio da equivalência.

Desde que tudo cai da mesma forma independentemente da sua massa, significa que sem algum ponto de referência externo, um observador em movimento livre longe das fontes gravitacionais e um observador em queda livre no campo gravitacional de um corpo maciço têm cada um a mesma experiência. Por exemplo, os astronautas na estação espacial parecem estar flutuando sem gravidade. Na verdade, a atração gravitacional da Terra na estação espacial é quase tão forte quanto na superfície. A diferença é que a estação espacial (e tudo que está nela) está caindo. A estação espacial está em órbita, o que significa que está literalmente a cair em torno da Terra.

Esta equivalência entre flutuar e cair é o que Einstein usou para desenvolver a sua teoria. Na relatividade geral, a gravidade não é uma força entre as massas. Em vez disso, a gravidade é um efeito do empenamento do espaço e do tempo na presença da massa. Sem uma força agindo sobre ela, um objeto se moverá em linha reta. Se você desenhar uma linha em uma folha de papel, e depois torcer ou dobrar o papel, a linha não mais aparecerá reta. Da mesma forma, o caminho reto de um objeto é dobrado quando o espaço e o tempo são dobrados. Isso explica porque todos os objetos caem na mesma velocidade. A gravidade empena o espaço-tempo de uma determinada forma, portanto os caminhos retos de todos os objetos são dobrados da mesma forma perto da Terra.

Então que tipo de experiência poderia provar que a gravidade é o espaço-tempo empenado? Uma deriva do fato de que a luz pode ser desviada por uma massa próxima. Argumenta-se frequentemente que como a luz não tem massa, ela não deve ser desviada pela força gravitacional de um corpo. Isto não é muito correcto. Uma vez que a luz tem energia, e pela relatividade especial a massa e a energia são equivalentes, a teoria gravitacional de Newton prevê que a luz seria ligeiramente deflectida por uma massa próxima. A diferença é que a relatividade geral prevê que ela será desviada duas vezes mais.

O efeito foi observado pela primeira vez por Arthur Eddington em 1919. Eddington viajou para a ilha do Príncipe ao largo da costa da África Ocidental para fotografar um eclipse total. Ele tinha tirado fotos da mesma região do céu algum tempo antes. Ao comparar as fotos do eclipse com as fotos anteriores do mesmo céu, Eddington foi capaz de mostrar a posição aparente das estrelas deslocadas quando o Sol estava próximo. A quantidade de deflexão concordou com Einstein, e não com Newton. Desde então temos visto um efeito semelhante onde a luz de quasares e galáxias distantes são desviadas por massas mais próximas. É frequentemente referido como lente gravitacional, e tem sido usado para medir as massas de galáxias, e até mesmo ver os efeitos da matéria escura.

Outra evidência é conhecida como a experiência do tempo de atraso. A massa do Sol empena o espaço perto dele, portanto a luz que passa perto do Sol não viaja em uma linha perfeitamente reta. Em vez disso, ela viaja ao longo de um caminho ligeiramente curvo que é um pouco mais longo. Isto significa que a luz de um planeta do outro lado do sistema solar da Terra chega-nos um pouco mais tarde do que seria de esperar. A primeira medida deste atraso temporal foi no final dos anos 60, por Irwin Shapiro. Os sinais de rádio foram emitidos de Vênus da Terra quando os dois planetas estavam quase em lados opostos do Sol. O atraso medido da ida e volta dos sinais foi de cerca de 200 microssegundos, tal como previsto pela relatividade geral. Este efeito é agora conhecido como atraso temporal Shapiro, e significa que a velocidade média da luz (determinada pelo tempo de viagem) é ligeiramente mais lenta do que a velocidade instantânea (sempre constante) da luz.

Um terceiro efeito são as ondas gravitacionais. Se as estrelas deformam o espaço à sua volta, então o movimento das estrelas num sistema binário deve criar ondulações no espaço-tempo, semelhante à forma como rodar o seu dedo na água pode criar ondulações na superfície da água. Como as ondas de gravidade irradiam para longe das estrelas, elas retiram alguma da energia do sistema binário. Isto significa que as duas estrelas se aproximam gradualmente, um efeito conhecido como inspirador. À medida que as duas estrelas se inspiram, o seu período orbital torna-se mais curto porque as suas órbitas estão a diminuir.

Para estrelas binárias regulares este efeito é tão pequeno que não podemos observá-lo. Entretanto, em 1974 dois astrônomos (Hulse e Taylor) descobriram um pulsar interessante. Os pulsares são estrelas de nêutrons de rotação rápida, que por acaso irradiam pulsos de rádio na nossa direção. A frequência de pulsação dos pulsares é tipicamente muito, muito regular. Hulse e Taylor notaram que a frequência deste pulsar em particular aceleraria ligeiramente e depois abrandaria ligeiramente a uma velocidade regular. Eles mostraram que esta variação era devido ao movimento do pulsar enquanto orbitava uma estrela. Eles foram capazes de determinar o movimento orbital do pulsar de forma muito precisa, calculando seu período orbital para dentro de uma fração de segundo. À medida que foram observando seu pulsar ao longo dos anos, perceberam que seu período orbital estava gradualmente se tornando mais curto. O pulsar é inspirador devido à radiação das ondas de gravidade, tal como previsto.

Finalmente existe um efeito conhecido como frame dragging. Temos visto este efeito perto da própria Terra. Como a Terra está girando, ela não apenas curva o espaço-tempo pela sua massa, ela gira o espaço-tempo em torno dela devido à sua rotação. Esta torção do espaço-tempo é conhecida como “frame dragging”. O efeito não é muito grande perto da Terra, mas pode ser medido através do efeito Lente-Thirring. Basicamente você coloca um giroscópio esférico em órbita, e vê se o seu eixo de rotação muda. Se não houver arrastamento do quadro, então a orientação do giroscópio não deve mudar. Se houver um frame dragging, então a torção espiral do espaço e do tempo fará com que o giroscópio se precipite, e sua orientação mudará lentamente com o tempo.

Fizemos esta experiência com um satélite conhecido como Sonda de Gravidade B, e você pode ver os resultados na figura aqui. Como você pode ver, eles concordam muito bem.

Cada uma destas experiências mostra que a gravidade não é simplesmente uma força entre as massas. A gravidade é, ao invés disso, um efeito do espaço e do tempo. A gravidade é construída na própria forma do universo.

Pense nisso na próxima vez que você pisar em uma escala.