Lei de como as coisas caem é confirmada com precisão inédita

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/09/2022

Dois objetos cairão com a mesma taxa no vácuo? Galileu foi o primeiro a testar esse princípio de equivalência e foi seguido por muitos outros, incluindo os astronautas da Apolo. Agora, o princípio foi confirmado com uma precisão recorde.
[Imagem: APS/Carin Cain]

Princípio de Equivalência Fraco

Você certamente conhece o experimento clássico: Uma pena e uma esfera metálica caindo ao mesmo tempo em um ambiente de vácuo, mostrando que a gravidade atua igualmente sobre qualquer tipo de corpo.

Repetido à exaustão desde Galileu, passando por Newton, esse assim chamado "princípio da equivalência" acabou se tornando um dos pilares da relatividade de Einstein. Apesar de suas inúmeras formulações, a partir da formulação da relatividade essa versão mais comum passou a ser conhecida como princípio de equivalência fraco.

Agora, usando um satélite chamado Microscópio, uma equipe internacional de físicos obteve a medição mais precisa já feita desse princípio, algo essencial para tentar descobrir alguma conexão entre a relatividade e a mecânica quântica.

A teoria da relatividade geral, publicada por Albert Einstein em 1915, descreve como a gravidade funciona e como ela se relaciona com o tempo e o espaço. Mas, por não levar em conta as observações de fenômenos quânticos, os físicos procuram desvios da teoria em níveis crescentes de precisão e em várias situações, já que tais violações poderiam sugerir novas interações ou forças que poderiam unir a relatividade com a física quântica, que permanecem incompatíveis.

E uma das maneiras de procurar possíveis expansões para a relatividade geral consiste em testar o princípio de equivalência fraco, também conhecido como "universalidade da queda livre" ou "princípio da equivalência de Galileu".

De acordo com o princípio de equivalência fraco, objetos em um campo gravitacional caem da mesma maneira quando nenhuma outra força está agindo sobre eles, mesmo que tenham massas ou composições diferentes.

Uma das consequências desse princípio é a universalidade da queda livre no vácuo: Uma pena e um martelo caem com a mesma velocidade em um campo de gravidade uniforme - há, portanto, uma equivalência entre a massa gravitacional e massa inercial.

Instrumento usado para medir se as massas influiriam na ação da gravidade.
[Imagem: ONERA]

Nenhuma violação

Para testar o princípio com uma precisão inédita de uma unidade em 10¹⁵, a equipe do satélite Microscópio projetou seu experimento para medir o coeficiente de Eotvos, que relaciona as acelerações de dois objetos em queda livre.

Se a aceleração de um objeto diferisse da do outro em mais de uma parte em 10¹⁵, o experimento detectaria e mediria essa violação.

Mas nada foi encontrado, descartando quaisquer violações do princípio da equivalência fraco ou desvios do entendimento atual da relatividade geral até esse nível de precisão.

"Nós temos agora restrições novas e muito melhores para qualquer teoria futura, porque essas teorias não devem violar o princípio de equivalência neste nível," diz Gilles Métris, do Observatório Cote d'Azur e membro da equipe Microscópio.

O satélite orbitou a Terra a 710 km de altitude.
[Imagem: CNES 2015]

Melhorias do experimento

Para medir o coeficiente de Eotvos, ou número de Eotvos [Loránd Eotvos (1848-1919)], os pesquisadores monitoraram as acelerações de massas de ligas de platina e titânio enquanto elas orbitavam a Terra a bordo do satélite.

O instrumento utilizou forças eletrostáticas para manter pares das massas de teste na mesma posição uma em relação à outra, e procurou diferenças de potencial nessas forças, o que indicaria diferenças nas acelerações dos objetos.

Um grande desafio do experimento foi encontrar maneiras de avaliar se o instrumento funcionaria no espaço conforme projetado. "A dificuldade é que o instrumento que lançamos não pode operar no solo," disse Manuel Rodrigues, integrante da equipe. "Então é uma espécie de teste cego."

O satélite foi lançado em 2016, dando alguns resultados preliminares no ano seguinte, mas continuou a coletar dados até 2018. Desde então a equipe vem analisando os dados, contabilizando falhas e incertezas sistemáticas. Agora eles finalmente concluíram que seu instrumento não apontou qualquer violação do princípio da equivalência fraco, definindo as restrições mais rigorosas sobre o princípio até agora.

A equipe também aprendeu com os defeitos do próprio experimento, sugerindo que futuras missões poderão evitar rachaduras no revestimento do satélite, que afetam as medições de aceleração, e substituir os fios por dispositivos sem contato. Com essas atualizações, eles acreditam ser possível construir um satélite que eleve a precisão das medições do princípio para 10¹⁷, o que é considerado pouco para justificar outra missão.

"Por pelo menos uma década ou talvez duas, não vemos nenhuma melhoria com um experimento de satélite espacial," disse Rodrigues.

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