Em geral, três princípios de equivalência são listados : o princípio "fraco", o de Einstein e o princípio "forte".
O primeiro é a observação da igualdade entre a massa inercial e a massa gravitacional. Albert Einstein apresenta o segundo como uma "interpretação" do primeiro em termos de equivalência local entre gravitação e aceleração (são indistinguíveis localmente ); é um elemento chave na construção da relatividade geral . O terceiro é uma extensão do segundo e também é verificado pela relatividade geral.
As verificações experimentais e observacionais desses princípios devem tornar possível, por sua crescente precisão, eliminar as teorias da gravitação que não se conformam com a realidade nesses pontos precisos.
Observações terminológicasAlguns autores distinguem, dentro do princípio da equivalência fraca , dois princípios, a saber: por um lado, o “princípio da equivalência Galileu” segundo o qual a queda livre dos corpos é universal; e, por outro lado, o “princípio da equivalência de Newton” segundo o qual a massa gravitacional é igual à massa inercial.
Alguns autores qualificam o princípio de equivalência de Einstein como um "princípio de equivalência forte" ; Eles então descrevem o princípio de equivalência forte de "princípio de equivalência ultra-forte" .
Este princípio é uma observação experimental, nunca negada e com consequências teóricas e práticas, elevada à categoria de princípio porque inexplicada (por um princípio mais simples ou mais natural). O princípio da equivalência fraca diz que a massa inercial e a massa gravitacional são iguais qualquer que seja o corpo (na verdade se trata de sua proporcionalidade, mas disso deduzimos que com uma boa escolha de unidades de medida, obtemos sua igualdade).
A consequência desse princípio é que todos os corpos submetidos ao mesmo campo gravitacional (e sem qualquer outra influência externa, portanto no vácuo ) caem simultaneamente ao serem liberados simultaneamente, quaisquer que sejam suas composições internas.
Essa observação da simultaneidade das quedas foi feita já em Galileu . Isaac Newton, por sua lei universal da gravitação, mostrou que isso era equivalente à igualdade entre a massa inercial e a massa gravitacional, e experimentou essa igualdade usando a comparação das frequências de pêndulos feitos de materiais diferentes.
Posteriormente, vários experimentadores testaram essa igualdade, reduzindo ainda mais a possível lacuna entre essas duas massas.
Experimentador | Ano | Método | Resultado |
Simon stevin | ~ 1586 | Solte bolas de chumbo de pesos diferentes | Nenhuma diferença detectada |
Galileo Galilei | ~ 1610 | Role as bolas ao longo de um plano inclinado | Nenhuma diferença detectada |
Isaac Newton | ~ 1680 | Medição dos períodos de pêndulos pesados de diferentes massas e materiais, mas do mesmo comprimento | Nenhuma diferença detectada |
Friedrich Wilhelm Bessel | 1832 | Mesmo método que Newton | Nenhuma diferença detectada |
Loránd Eötvös | 1908 | Balança de torção: medida da torção de um fio, da qual se suspende uma haste em cujas extremidades são colocadas duas massas idênticas, submetidas à gravidade e à rotação da Terra sobre si mesma. | A diferença é menor que 1 para |
Roll, Krotkov e Dicke | 1964 | Escala de torção, com massas de alumínio e ouro | A diferença é menor que 1 para |
David Scott | 1971 | Jogue um martelo e uma pena na lua | Nenhuma diferença detectada. O experimento é famoso porque é filmado e é o primeiro desse tipo na Lua: vídeo acima. |
Branginsky e Panov | 1971 | Escala de torção, com massas de alumínio e platina | A diferença é menor que 1 para |
Eöt-Wash | 1987- | Escala de torção, com materiais diversos. | A diferença é menor que 1 para |
MICROSCOPE satélite | 2016-2018 | acelerômetro colocado em órbita sincronizada com o sol | A diferença é menor do que 1 para (resultados parciais dedezembro de 2017) |
O princípio da equivalência de Einstein é assim designado em honra de Albert Einstein (1879-1955) que o afirmou, pela primeira vez, em 1907 e qualificá-lo, em 1920, de "a ideia mais feliz de uma vida" .
O princípio da equivalência de Einstein afirma que o princípio da equivalência fraca é válido e que, localmente, os efeitos de um campo gravitacional são idênticos aos efeitos de uma aceleração do referencial do observador, para um experimento sem gravidade .
É equivalente considerar que em qualquer ponto do espaço existe um referencial localmente inercial, o referencial em queda livre no campo gravitacional (e na ausência de qualquer outro campo externo, portanto no vácuo ), que ' nenhuma experiência local não gravitacional pode distinguir-se de um quadro não sujeito à gravidade. No contexto da relatividade geral, isso implica que esse quadro de referência é (localmente) um espaço de Minkowski .
Acrescentamos em geral a afirmação, muito relacionada ao princípio da relatividade , de que o experimento é independente do lugar e do momento em que é feito.
Este princípio permite uma extensão do princípio da relatividade para incluir a gravitação, localmente e na forma de referenciais acelerados. Graças a ele, Einstein deu o primeiro passo para passar da relatividade especial para a relatividade geral . É um dos princípios fundamentais na origem da teoria da relatividade geral.
Einstein o apresenta como uma interpretação do princípio da equivalência, denominado fraco, pois, ou seja, o princípio da equivalência de Albert Einstein dá um significado relativístico ao princípio da equivalência fraca, do ponto de vista da relatividade da gravitação e aceleração. Essa interpretação é concebida com o auxílio do experimento mental do elevador de Einstein . Este experimento mental usa apenas fenômenos mecânicos e, portanto, só pode ser uma justificativa do princípio de equivalência para eles.
Este princípio pode ser dividido em duas etapas:
Apenas o primeiro passo é justificado pelo experimento mental do elevador, a inclusão do eletromagnetismo é um postulado. Considerando a força fraca e a força forte da física quântica , podemos reescrever esse princípio para incluir experimentos no nível quântico.
Este princípio é interpretado como um acoplamento universal entre o campo gravitacional e todos os outros campos de "força": nenhum deles permite introduzir uma distinção entre os efeitos da gravitação e as propriedades do espaço-tempo .
O princípio de equivalência de Einstein combina três condições:
O primeiro teste de invariância de posição local está relacionado ao efeito Einstein. O melhor teste para invariância de Lorentz local é aquele obtido pelo experimento Hughes-Drever.
A conjectura Schiff diz que qualquer teoria da gravitação "abrangente e coerente" e verificando o princípio de equivalência fraca deve necessariamente verificar o princípio de equivalência de Einstein.
As teorias da gravidade métrica postulam a equivalência de Einstein.
Por outro lado, certas teorias não métricas da gravitação introduzem um acoplamento entre gravitação e eletromagnetismo, e não respeitam o princípio de equivalência de Einstein (em experimentos em eletromagnetismo), embora sejam compatíveis com o princípio de baixa equivalência, e assim parecem invalidar A conjectura de Schiff. As previsões experimentais foram feitas por Carroll e Fields em 1991 a partir de teorias não métricas e testadas em 1994, observando a rotação da polarização da luz emitida por rádios galáxias distantes. Essas observações não revelaram uma violação do princípio de equivalência de Einstein.
No entanto, a conjectura de Schiff ainda não é considerada provada ou invalidada.
O princípio de Einstein incluindo o princípio fraco, qualquer experimento neste último é também aquele de Einstein.
O princípio de equivalência forte generaliza o princípio de Einstein ao afirmar que, localmente, os efeitos de um campo gravitacional em qualquer experimento, mesmo na própria gravidade (como o experimento de Cavendish, por exemplo), são idênticos aos efeitos de uma aceleração do quadro de referência do observador.
É equivalente considerar que em qualquer ponto do espaço existe um referencial localmente inercial, o referencial em queda livre no campo gravitacional (e na ausência de qualquer outro campo externo), que nenhuma experiência (gravitacional ou não ) não pode distinguir-se de um quadro de referência não sujeito à gravidade.
Acrescentamos em geral a afirmação, muito relacionada ao princípio da relatividade , de que o experimento é independente do lugar e do momento em que é feito.
Para este princípio, a noção de espaço é mais estendida do que no princípio anterior: podemos assim considerar que o sistema solar como um todo é uma experiência gravitacional em um referencial aproximadamente inercial e muito maior.
A relatividade geral com este princípio de que somente a métrica do espaço-tempo determina o campo gravitacional.
A teoria de Brans e Dicke não respeita este princípio porque além da métrica, um campo escalar determina a gravitação, e este não pode ser eliminado localmente por uma escolha de referencial: mesmo em um referencial em queda livre, um experimento gravitacional é influenciado por este campo escalar.
As teorias " com uma preliminar geométrica " acoplam a gravitação a um datum geométrico não métrico, local ou global (como uma coordenada temporal cosmológica, que torna possível a hipótese do Big Bang ): é concebível que então o campo gravitacional dependa de onde ou quando é considerado.
Não foi rigorosamente demonstrado que, se o princípio for respeitado, a gravidade depende apenas da métrica do espaço. A relatividade geral parece ser a única teoria métrica que respeita o princípio forte, além da teoria de Gunnar Nordström datada de 1913, que respeita a versão gravitacional do princípio forte, mas não certos aspectos do princípio de equivalência de Einstein, por exemplo. A deflexão da luz por gravidade.
Se não houver respeito pelo princípio forte, então a gravitação terá diferentes efeitos nos diferentes referenciais que são inerciais para o princípio de Einstein. Mesmo o princípio fraco seria violado em referenciais que não são inerciais em relação ao Universo : assim, estando o sistema solar em queda livre em um campo gravitacional (porque apenas a gravidade atua sobre ele), pode ser considerado como um quadro de referência. inercial (para o princípio de Einstein) e os experimentos gravitacionais que são realizados lá dependem do campo gravitacional no qual está imerso, em particular, isso deve ser capaz de ser detectado nos experimentos que testam o princípio fraco para corpos massivos (de massa não desprezível em comparação com o campo gravitacional circundante), e em medições precisas dos movimentos dos planetas, mesmo por uma evolução (lenta) da constante gravitacional em comparação com a idade do universo .
O método mais preciso para testar o princípio forte é atualmente o Lunar Laser Ranging (LLR) realizado pela NASA . O experimento consiste em usar um refletor colocado no solo lunar (durante a Apollo 11 em 1969, seguido por outros refletores depositados pela Apollo 14 e Apollo 15 ) para medir a distância Terra-Lua por lasers com precisão de cerca de 2 cm (contra 384.400 km entre a Terra e a Lua), portanto, pequenas variações podem ser detectadas. Actualmente, os dados permitem dizer que e no ano -1 , o que confirma a ideia de que o princípio forte é respeitado. Da mesma forma, as medidas relativas às consequências das variações espaciais e anisotrópicas da constante gravitacional foram consideradas inferiores às incertezas da medição.
A fim de refinar as medições, a NASA está considerando a criação de um experimento semelhante, mas mais completo, chamado de Operação de alcance a laser lunar do Observatório Apache Point (APOLLO).
As observações de pulsares binários não forneceram medições mais precisas.
A investigação teórica e experimental em gravidade quântica leva a considerar uma revisão do princípio da equivalência ao nível quântico porque parece que neste contexto “a queda dos objetos é feita por etapas em função da massa”.
: documento usado como fonte para este artigo.
Livros que tratam de princípios apenas da perspectiva da relatividade geral