Em 1916 Albert Einstein apresentou sua teoria da gravidade chamada Relatividade Geral. Nesta teoria Einstein assume que os efeitos da gravidade podem ser descritos em termos da curvatura do espaço e do tempo juntos. Este espaço híbrido 4-D, no qual Einstein formulou sua teoria, é chamado espaço-tempo. Há três dimensões de espaço no espaço-tempo quadrimensional combinadas com uma dimensão de tempo. A Relatividade Geral de Einstein une a curvatura do espaço-tempo com o modo com que a matéria e energia são distribuídas no universo.

 Pode-se resumir o arranjo acoplado entre matéria e curvatura do espaço-tempo, na teoria da gravidade de Einstein, pelas declarações seguintes:

	A massa (a fonte do campo gravitacional) diz ao espaço-tempo como curvar.
	O espaço-tempo diz à matéria (qualquer corpo massivo ao lado da fonte de massa)  como se mover.

Antes da proposta radical de Einstein sobre espaço-tempo, espaço foi pensado como um palco imutável no qual todos os movimentos e interações de matéria eram realizados. O espaço era como um tampo de mesa no qual as transações aconteciam independentemente da estrutura e layout da mesa. As idéias de Einstein, entretanto, insinuaram que o espaço era altamente mutável. Ele era como um material flexível que acomodava todo objeto massivo encurvando adequadamente a vizinhança do local do objeto, muito parecido com uma folha esticada de material elástico acomodaria a uma bola pesada colocada em sua área central.

A curvatura do espaço é compreensível por meio destas analogias, mas o que significa a curvatura do tempo ? Tempo curvado significa que a razão do fluxo do tempo é determinada pelo poder do campo gravitacional onde ele está sendo medido. O tempo passa mais lentamente num campo gravitacional forte. O tempo é esticado.

Einstein chegou à idéia de que a curvatura é a gravidade pensando profundamente em efeitos locais de gravidade contra efeitos globais de gravidade. Ele deduziu que nós sempre podemos encontrar um pedaço pequeno de espaço onde gravidade é localmente zero. Porém, globalmente, gravidade é qualquer coisa diferente de zero. Este contraste local-global conduziu Einstein naturalmente à idéia que curvatura e gravidade estavam ligados. A curvatura tem o mesmo caráter local-global que a gravidade. 

Considere as seguintes declarações e pense sobre qual é a semelhança entre elas
Observe qualquer superfície curvada dentro uma região bastante pequena e você não verá nenhuma curvatura.	Coloque-se num sistema de referência apropriado, que é de uma situação de queda livre e você não sentirá nenhuma gravidade.

Assim que a astronave pousar, e não está mais em um sistema caindo livremente, uma grande diferença acontece. O lançamento de objetos para longe de você, agora, faz os objetos viajarem em um caminho curvado para o chão.

Quando a Terra (ou um foguete) impulsiona a espaçonave, a rota curva-se relativa à espaçonave.

Questão: Qual é a situação mais natural? Por que o caminho curvado aparece de repente quando a astronave pousa na Terra? Existe alguma força misteriosa que causa o caminho curvado dos objetos soltos?

os gregos até Galileo e Newton, os melhores pensadores do dia tentaram descrever a força que faz objetos se moverem deste modo. Einstein trouxe um ponto de vista revolucionário à solução do problema. Einstein disse que não havia nenhuma força de gravidade encurvando o caminho dos objetos. Einstein também disse que a composição dos objetos não tinha nada a ver com as curvas. O caminho curvado é a falta do chão que força-nos e a todos os outros objetos ficar fora do estado natural de movimento, o estado de flutuação livre. As forças eletromagnéticas entre os átomos no chão empurram para cima, parando nosso movimento natural de queda. Isto força para cima nos faz sentir pesados.

Deixe o quarto ser cortado no momento que nós (que estamos no quarto) lancemos a bola. A bola passará pelo mesmo espaço que antes. A mesma bola lançada na mesma direção com a mesma velocidade parece mover bastante diferentemente quando não estiver em flutuação livre (esquerda), e quando estiver (direita). Contudo nos dois quadros, a bola chega depois ao mesmo tempo na mesma localização no espaço-tempo.
A bola parece se mover no caminho curvado familiar que temos visto (desde o tempo de Newton) como o efeito de uma força gravitacional dirigida para o centro da Terra.	Com a plataforma rompida de sua fixação à Terra, a pequena casa está em uma situação de queda livre. Este tempo a bola se moverá por uma linha direta, não afetada por qualquer força denominada "gravidade".
Einstein reconheceu que a queda é uma ilusão. A ilusão surge de observar o movimento de um sistema de referência (o quarto à esquerda) que não está em flutuação livre. O que nos impede a livre-flutuação são as forças eletromagnéticas dos átomos do chão que empurra nossos pés para cima.  Nós, que seguramente permanecemos parados, vemos coisas ao nosso redor de modo errado, porque o chão em baixo dos nossos pés está todo o tempo nos empurrando para longe de um estado natural. Este estado natural é um estado de movimento equivalente à queda livre ou à flutuação livre.  Para estar em sintonia com o universo nós deveríamos estar surfando livremente na curvatura do espaço-tempo da mesma maneira que o super heroi O Surfista Prateado (Silver Surfer), da novela Marvel Comics, surfou livremente pelo seu espaço.  clique aqui para torná-la maior

O que primeiramente nos impressiona sobre o conceito de flutuação livre é seu caráter paradoxal. Como um primeiro passo para explicar a gravidade, Einstein livrou-se dela!

A segunda característica que é evidente a nós é o caráter local do sistema de flutuação livre. Quartos em queda livre em locais diferentes sobre a superfície da Terra podem estar "caindo" em direções completamente diferentes. Queda livre aqui e queda livre lá não são as mesmas. O conceito somente se aplica dentro de uma região local limitada. Um modo de se medir a curvatura do espaço-tempo é observar a diferença entre sistemas próximos à queda livre . Quanto maior a diferença, maior será a curvatura gravitacional. Se nós colocarmos selos postais em um objeto esférico grande, mais cedo ou mais tarde nós notaremos discrepâncias na cobertura da superfície curvada. Semelhantemente se nós pulamos em sistemas em queda livre ao redor de um objeto massivo, mais cedo ou mais tarde nós notaremos discrepâncias no movimento de objetos nos sistemas próximos.

Um exemplo de curvatura que se torna evidente é concernente ao uso de grades para marcar parcelas na superfície da Terra por geógrafos. Eventualmente as grades não serão adjacentes cada uma com a outra e o sistema de grade não será retido. Veja o quadro abaixo das áreas de grades (distritos municipais de dez-milha-quadradas) colocadas na terra de pradaria plana de Dakota do Norte. Clique o quadro para torná-lo maior. Embora as áreas de grade comecem bem alinhadas, não leva muito tempo para a superfície curvada da Terra desordenar o alinhamento.

 

 

 

 

Princípio de Equivalência

A idéia que um sistema em queda livre é possível para qualquer objeto conduz a uma das predições mais fortes da teoria de Einstein. Se todos os objetos não sentem nenhuma força quando eles alcançam um estado de flutuação livre então a composição dos materiais nunca será importante para gravitação. Se algo está em queda livre, e não tem nenhum peso, então pode fazer nada mais que flutuar. Um peso zero de ouro é exatamente igual a um peso zero de penas. Ambos deveriam flutuar sem peso à exatamente mesma altura em um sistema em queda livre. O princípio que diz que todos os objetos, não importam quais suas composições, caem ou flutuam exatamente do mesmo modo é chamado Princípio de Equivalência. Este princípio também tem outra forma que iguala aceleração com a gravidade. Não é possível distinguir, em uma região pequena do espaço-tempo, a diferença entre a aceleração de um objeto e a existência de força gravitacional tradicionalmente postulada.

 

 

 

 

 

 

 

 

É fácil de visualizar a curvatura do espaço causada por corpos massivos. Imagine-se com objetos afundados no espaço.

Porém não é tão fácil de pensar na curvatura do espaço híbrido chamada espaço-tempo. Com que se parece a curvatura espaço-tempo? Para se ter uma idéia do que isto significa consideremos uma experiência simples onde são lançadas duas bolas através de um quarto. Clique aqui para ver os detalhes do experimento.

 

Na teoria de Einstein da gravidade, a sua famosa equação, conectando Energia (E) com a massa (m), ainda vale. O quadrado da velocidade da luz é representado pelo símbolo c ao quadrado nesta equação. Este termo, c ao quadrado, é um fator super-grande que dá quantidades minúsculas de massas equivalentes à quantidades enormes de energia
Considerando esta equação válida podemos deduzir que a luz, que não tem nenhuma massa, não obstante, deve ser afetada pela gravidade desde que ela definitivamente tem energia.	A energia, pela fórmula anterior, tem que agir como uma massa. Daí o espaço-tempo deveria dizer ao raio de luz como ele deve se mover. Esta é a dedução crucial que conduz a um dos testes clássicos da relatividade geral que tem a ver com o dobrar a a trajetória da luz pelas de estrelas.

O dobramento da trajetória da luz é visto todos os dias por astrônomos. É possível, por intervenção de galáxias massivas, dobrar a luz por até mesmo as distantes galáxias de tal modo que sejam produzidas imagens múltiplas das galáxias distantes. Este efeito é chamado de lente gravitacional.

A coleção de galáxias no meio do quadro representa um tal dobramento espaço-tempo em que são multiplicadas as imagens das galáxias atrás da coleção. Estas imagens múltiplas da mesma galáxia extremamente distante são mostradas envolvendo a coleção de massa central.

O Quarto Teste Padrão
O Tempo se reduz Perto de Objetos Massivos. Os cientistas usam radar para saltar adiante dos planetas e satélites para conferir este efeito de redução. O diagrama abaixo mostra um feixe de radar enviado a Marte e lá se refletindo e sendo curvado pelo campo gravitacional do Sol. Esta distância curvada extra que o feixe de radar tem que ir, atrasa o sinal. Este atraso pode ser medido. Ele concorda com a predição da RG (= Relatividade Geral).
A luz se curva ao redor das estrelas. Este dobramento pode ser medido. A primeira medida que confirmou a predição de Einstein aconteceu em 1919. Os cientistas esperam pela lua bloquear o Sol e então procurar estrelas que não deveriam ser observávéis a menos que a sua luz fosse curvada para vir em nossa direção.	vídeo 1 sobre Curvatua da Luz
Um outro exemplo de curvatura da luz pelo campo gravitacional é o efeito de lente gravitacional discutido anteriormente. Abaixo está um quadro de uma imagem múltipla de Quasar (4 imagens que cercam uma galáxia densa). Esta imagem é visível somente no Hemisfério Sul. Ela foi chamada de "Einstein Cross".
As órbitas de todos os planetas são perturbadas, tendo o Mercúrio a maior perturbação. A maioria da perturbação é devido à perturbação natural induzida pelos outros oito planetas. Porém, um pouco do que é mensurável é devido à predição da relatividade geral de que o espaço é curvado ao redor do Sol. Clique aqui para ver um filme do efeito de precessão da curvatura do espaço-tempo sobre um planeta.
A luz é arrastada para atrás quando ela estiver perto de objetos massivos como estrelas (chamado de efeito redshift (= deslocamento para o vermelho) gravitacional ). Isto aumenta o comprimento de onda da luz que está escapando. Esta extensão faz a onda de luz ir mais na direção da extremidade vermelha do espectro eletromagnético. É dito então estar deslocada para o vermelho.
Veja o Site The Spacetime Wrinkles para mais figuras : Clique Aqui.

BLACK HOLES Buracos negros se formam quando a matéria acumula-se em uma região pequena do espaço. Isto pode acontecer no centro das galáxias como na nossa própria galáxia a Via Láctea (que tem um buraco negro central de 3 milhões de vezes a massa solar), ou pode acontecer quando uma estrela enorme morrer e não se livrar da maioria de sua massa ao se colapsar perto do final de sua existência. Este tipo de buraco negro posterior requer que a estrela tenha pelo menos três vezes a massa do Sol para ter gravidade suficiente para apanhar a luz completamente.

Umas das predições mais estranhas da Relatividade Geral envolve a idéia de estrelas gigantescas super-colapsadas que se colapsam tanto que uma rasgo no tecido do espaço-tempo é criado. Luz e nada mais pode escapar destes objetos gravitacionalmente supremos. O furo no continuum do espaço-tempo é chamado de uma singularidade.

Buracos negros têm uma região interior que não pode ser observada. O limite entre onde luz pode potencialmente escapar e onde a luz, e nada mais, pode escapar é chamada Horizonte de Evento. O fato que uma singularidade existe no centro de um buraco negro implica que as equações de Einstein estão lá incompletas. O rádio do horizonte de evento é chamado o Raio de Schwarzschild.

Como as estrelas colapsadas que das que eles são formados está girando, a maioria dos buracos negros também deveria estar girando. Os buracos negros girantes são chamados de Kerr Black Holes. O quadro à esquerda mostra um tal buraco negro giratório com um jato de partículas saindo de sua região central. Foram observados objetos astrofísicos com tais jatos de energia altos. Não há nenhuma prova definitiva porém de que os buracos negros existem. Eles sempre são deduzidos da evidência indireta como a radiação libertada quando partículas carregadas entram no buraco negro. Só porque um jatode energia sai da região central do buraco negro não significa que o buraco negro está emitindo estas partículas. O fenômeno de jato surge de muitos partículas que tentam entrar no horizonte de evento relativamente pequeno do buraco negro. Assim muitas coisas tentam entrar que alguns são energeticamente arremessados para fora do centro por uma intensa pressão perto da boca do buraco negro.

Algumas pessoas especularam no passado que o buraco negro poderia ser um modo de viajar para outro universo ou para outra parte deste universo. Entretanto, pode ser mostrado que buracos negros prendem tão logo você continue indo para baixo nas suas gargantas. Todo matéria que passa para o interior de um buraco negro fica subjugada a inexistência.

As mortes violentas de estrelas grandes (supernovas) e as colisões de estrelas extremamente densas como as estrelas de nêutrons com outra, podem causar perturbações no espaço-tempo e acontecer de se espalharem de uma maneira semelhante a uma onda. Estas ondas são chamadas ondas de gravidade ou radiação gravitacional. Dentro dos próximos cinco anos a radiação gravitacional deverá ser visto pela primeira vez.

Abaixo está um exemplo de uma supernova induzindo o espaço-tempo a perturbação. Esta perturbação pode ser detectada colocando duas massas lado a lado e observando qualquer mudança nas suas posições relativas quando uma onda gravitacional passar. A distância entre elas estica ou encolhe? A resposta tem que ter resolução muito alta desde que o efeito é assim muito pequeno. São usados lasers para se deduzir opticamente as distâncias minuciosas que as ondas de gravidade fazem a duas massas viajarem.

Recentemente houve uma discussão científica séria da idéia de impulsionar astronaves à velocidades aparentes consideravelmente superando a velocidade de luz. Nenhum modo conhecido de fazer isto de fato existe no momento, mas teoricamente não é muito difícil de ver como poderia funcionar.

Como mostram os diagramas, o que se precisa fazer é comprimir o espaço-tempo na frente da nave enquanto se expande na parte traseira da nave. O efeito global de se fazer isto seria deformar espace à frente da nave de modo que a distância entre onde ela está agora e onde quer estar é diminuído. Então, embora localmente a nave sempre está viajando abaixo da velocidade de luz, o transporte global é, com efeito, muito mais rápido que a velocidade de luz. O capitão de uma tal astronave teria que manter-se bem longe das outras naves e comunidades enquanto a nave estava no modo de impulsão desde que muitos estragosdano poderiam ser feitos a qualquer um que se aproximasse.

A Equação de Campo Gravitacional de Einstein está mostrada abaixo. Esta equação estabelece que a curvatura do espaço-tempo de qualquer lugar no universo (lado esquerdo da equação) deve ser igual à distribuição de matéria e energia naquela parte do universo (lado direito da equação).

É esta equação que estava 50 anos à frente do seu tempo quando Einstein apresentou a sua teoria geral da relatividade em 1916.