Artigo traduzido de Society For Science. Autor: Tom Siegfried.
Enquanto era um cientista relativamente jovem, Albert Einstein pintou uma nova imagem do universo. Alguns de seus traços finais surgiram em 04 de novembro de 1915 – há exatamente um século. Foi quando este físico dividiu o primeiro de quatro novos artigos com a Academia Prussiana em Berlim, Alemanha. Juntos, esses novos artigos definiriam o que seria a sua teoria da relatividade geral.
Antes de Einstein surgir, os cientistas acreditavam que o espaço era imutável. O tempo se movia a uma velocidade contínua. E a gravidade atraía objetos massivos. Maçãs caiam de árvores por causa da forte atração da Terra.
Todas essas ideias vieram da mente de Isaac Newton, que escreveu sobre elas em um famoso livro de 1687. Albert Einstein nasceu 192 anos depois. Ele cresceu para mostrar que Newton estava errado. Espaço e tempo não eram invariáveis, como Newton os havia descrito. E Einstein tinha uma ideia melhor sobre a gravidade.
Mais cedo, Einstein tinha descoberto que o tempo não fluía sempre no mesmo ritmo. Ele retarda se você está se movendo muito rápido. Se você viajar em alta velocidade em uma nave espacial, quaisquer relógios a bordo ou mesmo seu ritmo de pulso atrasaria em comparação com os seus amigos na Terra. Essa desaceleração do relógio é parte do que Einstein chamou de teoria da relatividade especial.
Mais tarde, Einstein percebeu que o espaço, também, não era sempre constante. Ele mudava significativamente nas proximidades de objetos de grande massa, como um planeta, o sol ou um buraco negro. Então, uma nave espacial – ou mesmo um raio de luz – se moveria em uma linha curva através do espaço ao se aproximar de um objeto de grande massa. Isso porque esse objeto massivo contorce a forma do espaço.
Einstein mostrou também que a forma que a massa altera o espaço faz os corpos se moverem como se estivessem puxando uns aos outros, assim como Newton havia descrito. Assim, a teoria de Einstein foi uma maneira diferente de descrever a gravidade. Mas também era mais precisa. A ideia de Newton funcionava quando a gravidade não é especialmente forte em todas as escalas, como perto do sol ou talvez um buraco negro. As descrições de Einstein, pelo contrário, funcionariam inclusive nesses ambientes.
Foram necessários vários anos para Einstein para entender e assimilar tudo isso. Ele teve que aprender novos tipos de matemática. E a sua primeira tentativa não deu muito certo. Mas, finalmente, em novembro de 1915, ele encontrou a equação certa para descrever a gravidade e espaço. Ele chamou essa nova ideia de teoria da relatividade geral.
Relatividade é a palavra chave aqui. A matemática de Einstein tinha indicado que o tempo não parece desacelerar para um observador que está em alta velocidade. Isso só se torna visível pela comparação do tempo relativo dessa pessoa ao voltar para a Terra.
O tempo não era a única coisa que poderia esticar na relatividade. Na teoria de Einstein, o tempo e o espaço estão intimamente relacionados. Então os eventos no universo são referidos como locais no espaço-tempo. A matéria se move através do espaço-tempo ao longo de caminhos curvos. E esses caminhos são criados pelo efeito da matéria no espaço-tempo.
Hoje os cientistas acreditam que a teoria de Einstein é a melhor maneira de descrever não só a gravidade, mas também todo o universo.
Estranha – mas muito útil
A relatividade soa como uma teoria muito estranha. Então, por que as pessoas acreditam nela? No início, muitas pessoas não acreditavam. Mas Einstein ressaltou que sua teoria era melhor do que a teoria da gravidade de Newton porque resolvia um problema sobre o planeta Mercúrio.
Astrônomos mantém bons registros sobre as órbitas dos planetas que se circundam o Sol. Mas órbita de Mercúrio os confundia. A cada viagem ao redor do Sol, a maior aproximação de Mercúrio ficava um pouco além de onde tinha sido a órbita anterior. Por que a órbita mudava assim?
Alguns astrônomos disseram que a gravidade de outros planetas deveria estar puxando Mercúrio e mudando sua órbita. Mas quando eles fizeram os cálculos descobriram que a gravidade dos planetas conhecidos não poderia explicar toda a mudança. Assim, alguns pensaram que pudesse haver outro planeta, mais perto do sol, que também puxava Mercúrio.
Einstein discordou, argumentando que não havia outro planeta. Usando sua teoria da relatividade, ele calculou quanto a órbita de Mercúrio deveria mudar. E era exatamente o que os astrônomos tinham medido.
Ainda assim, ele não satisfez a todos. Então Einstein recomendou uma outra maneira que os cientistas poderiam testar sua teoria. Ele ressaltou que a massa do Sol deveria curvar ligeiramente a luz de uma estrela distante enquanto seu feixe passa perto do Sol. Essa curvatura faria com que a posição da estrela no céu parecesse ligeiramente diferente de onde ela normalmente estaria. É claro, o sol é extremamente brilhante para ver estrelas pouco além de suas bordas (ou em qualquer lugar, quando o sol está brilhando). Mas, durante um eclipse total, a luz intensa do sol fica brevemente mascarada. Dessa forma as estrelas se tornam visíveis.
Em 1919, os astrônomos viajaram para a América do Sul e África para ver um eclipse total do sol. Para testar a teoria de Einstein, eles mediram os locais de algumas estrelas. E a mudança de localização das estrelas era exatamente o que a teoria de Einstein havia previsto.
A partir de então, Einstein viria a ser conhecido como o homem que substituiu a teoria da gravidade de Newton.
Newton ainda está majoritariamente certo
A teoria de Newton ainda funciona muito bem na maioria dos casos. Mas não para tudo. Por exemplo, a teoria de Einstein dizia que a gravidade desacelerava alguns relógios. Um relógio em uma praia deve ficar um pouco mais lento do que um no topo de uma montanha, onde a gravidade é mais fraca.
Não é uma grande diferença, nem mesmo é uma diferença importante se tudo o que você quer saber é quando será a hora do almoço. Mas isso pode ser muito importante para coisas como dispositivos GPS que você talvez tenha visto nos carros dando instruções de direção. Esses dispositivos com sistema de posicionamento global captam sinais de satélite. Um dispositivo GPS consegue identificar onde você está comparando as diferenças no tempo que leva para o sinal chegar em cada um dos vários satélites. Os tempos precisam ser ajustados de forma que fossem mais lentos no solo do que no espaço. Sem o ajuste para esse efeito da relatividade geral, sua localização pode estar errada em mais de um quilômetro. Por quê? A incompatibilidade no tempo vai crescer, segundo a segundo, porque o tempo do relógio no solo e o tempo do relógio no satélite se mantém em diferentes ritmos.
Mas os benefícios da relatividade geral vão muito além de apenas nos ajudar a permanecer no caminho certo. Ela ajuda a ciência explicar o universo.
Logo no início, por exemplo, os cientistas que estudaram a relatividade geral perceberam que o universo poderia estar ficando cada vez maior o tempo todo. Somente mais tarde os astrônomos mostraram que o universo realmente está se expandindo. A matemática usada para explicar a relatividade geral também levou especialistas a preverem que objetos fantásticos como os buracos negros poderiam existir. Buracos negros são regiões do espaço onde a gravidade é tão forte que nada pode escapar, nem mesmo a luz. A teoria de Einstein também sugere que a gravidade pode criar ondulações no espaço que aceleram através do universo. Os cientistas construíram enormes estruturas usando lasers e espelhos para tentar detectar essas ondulações, conhecidas como ondas gravitacionais.
Einstein não sabia sobre coisas como ondas gravitacionais e buracos negros quando começou a trabalhar em sua teoria. Ele estava apenas interessado em tentar descobrir a gravidade. Encontrar a matemática certa para descrever a gravidade, ele argumentava, seria certificar-se de que os cientistas poderiam encontrar leis do movimento que não dependessem de como alguém estava se movendo.
E faz sentido, quando você pensa sobre isso.
As leis do movimento devem ser capazes de descrever a forma como a matéria se move, e como esse movimento é afetado pelas forças (como a gravidade ou o magnetismo).
Gravidade = aceleração?
Mas o que acontece quando duas pessoas estão se movendo em diferentes velocidades e direções? Será que ambos usam as mesmas leis para descrever o que veem? Pense nisso: se você está num carrossel, os movimentos de pessoas nas proximidades parecem muito diferentes dos movimentos de alguém parado.
Em sua primeira teoria da relatividade (conhecido como “especial”) Einstein mostrou que duas pessoas em movimento poderiam usar as mesmas leis – mas apenas enquanto cada uma estivesse se movendo em linha reta a uma velocidade constante. Ele não conseguia descobrir como fazer um conjunto de leis funcionar quando as pessoas se moviam em círculo ou com velocidades alteradas.
Em seguida, ele encontrou uma pista. Um dia, ele estava olhando para fora da janela de seu escritório e imaginou alguém cair do telhado de um prédio próximo. Einstein percebeu que, ao cair, essa pessoa iria sentir ausência de peso. (Por favor, não tente pular de um prédio para testar isso. Acredite na palavra de Einstein.)
Para alguém no chão, a gravidade parece fazer a pessoa cair cada vez mais rápido. Em outras palavras, a velocidade da sua queda aceleraria. Einstein então percebeu que gravidade era a mesma coisa que a aceleração!
Imagine ficar no piso de um foguete. Não há janelas. Você sente o seu peso contra o chão. Se você tentar levantar o pé, ele quer voltar para baixo. Então, talvez a sua nave esteja no chão. Mas também é possível que a nave esteja voando. Se ela está se movendo para cima em uma velocidade mais e mais rápida – acelerando suavemente, apenas a quantidade certa – seus pés vão se sentir puxados para o chão da mesma forma quando a nave estava no chão.
Uma vez que Einstein percebeu que a gravidade e aceleração são a mesma coisa, ele pensou que poderia encontrar uma nova teoria da gravidade. Ele só tinha que encontrar a matemática que descrevesse qualquer aceleração possível para qualquer objeto. Em outras palavras, não importa como os movimentos dos objetos parecessem de um ponto de vista, você teria uma fórmula para descrevê-las apenas corretamente a partir de qualquer outro ponto de vista.
Encontrar essa fórmula não se mostrou fácil.
Por um lado, objetos que se movem através do espaço com gravidade não seguem linhas retas. Imagine um formiga andando através de uma folha de papel sem mudar de direção. Seu caminho deve ser reto. Mas suponha que há um solavanco no caminho porque uma bola de gude está sob o papel. Ao caminhar sobre a colisão, o caminho da formiga seria curva. A mesma coisa acontece com um feixe de luz no espaço. Uma massa (como uma estrela) faz uma “colisão” no espaço, assim como a bolinha sob o papel.
Devido a este efeito da massa no espaço, a matemática para descrever as linhas retas em uma folha plana de papel não funcionava mais. Essa matemática do papel plano é conhecida como geometria euclidiana. Ela descreve coisas como formas feitas a partir de segmentos de linhas e ângulos onde as linhas se cruzam. E funciona bem em superfícies planas, mas não em superfícies irregulares ou superfícies curvas (tal como o exterior de uma bola). E ela não funciona no espaço onde a massa torna o espaço irregular ou curvo.
Então Einstein precisava de um novo tipo de geometria. Felizmente, alguns matemáticos já haviam inventado o que ele precisava. É chamada, não surpreendentemente, de geometria não-euclidiana. Na época, Einstein não sabia nada sobre isso. Então, ele teve ajuda de um professor de matemática de seus dias de escola. Com seu novo conhecimento sobre a geometria melhorada, Einstein era agora capaz de seguir em frente.
Até que ele ficou preso novamente. Esse nova matemática funcionou para muitos pontos de vista, ele descobriu, mas nem para todos as possibilidades. Ele concluiu que este era o melhor que ele – ou qualquer pessoa – poderia fazer. A natureza simplesmente não permitiria a teoria completa da gravidade que Einstein queria.
Ou assim ele pensou.
Mas então ele conseguiu um novo emprego. Ele se mudou para Berlim, para um instituto de física onde ele não tinha que ensinar. Ele poderia gastar todo o seu tempo pensando sobre a gravidade, sem distrações. E em 1915 ele viu uma maneira de fazer a sua teoria funcionar. Em novembro, ele escreveu quatro artigos que esboçam os detalhes. Ele apresentou-os a uma grande academia de ciências alemã.
Logo depois, Einstein começou a pensar sobre o que sua nova teoria da gravidade significaria para a compreensão de todo o universo. Para sua surpresa, suas equações sugeriram que o espaço poderia estar se expandindo ou diminuindo. O universo estaria ficando maior ou ele entraria em colapso como a gravidade atraindo tudo. Mas naquela época, todo mundo achava que o tamanho do universo era hoje como sempre foi e sempre seria. Então Einstein ajustou sua equação para garantir que o universo iria ficar parado.
Anos mais tarde, Einstein admitiu que isso tinha sido um erro. Em 1929, o astrônomo americano Edwin Hubble descobriu que o universo realmente está se expandindo. Galáxias, aglomerados de estrelas enormes, se afastavam uma das outras em todas as direções conforme o espaço se expande. Isso significava que a matemática de Einstein estava certo da primeira vez.
Baseados principalmente na teoria de Einstein, os astrônomos hoje descobriram que o universo em que vivemos começou em uma grande explosão. Chamado de Big Bang, isso ocorreu há quase 14 bilhões de anos. O universo começou pequeno, mas foi crescendo desde então.
Ao longo dos anos, muitos experimentos e descobertas mostraram que a teoria de Einstein é a melhor explicação que os cientistas têm para a gravidade e muitas características do universo. Coisas estranhas no espaço, como buracos negros, foram previstos por pessoas que estudaram a relatividade geral muito antes de os astrônomos os descobriram. Sempre que novas medições são feitas de coisas como a curvatura da luz ou a desaceleração do tempo, a matemática da relatividade geral sempre consegue a resposta certa.
Clifford Will trabalha na Universidade da Flórida, em Gainesville, onde é especialista em relatividade. “É notável que esta teoria, nascida de pensamento quase puro há 100 anos, conseguiu sobreviver a todos os testes”, ele escreveu.
Sem a teoria de Einstein, os cientistas não entenderiam muito sobre o universo.
No entanto, quando Einstein morreu, em 1955, poucos cientistas estavam estudando sua teoria. Desde então, a física da relatividade geral cresceu e se tornou uma das teorias mais importantes na história da ciência. Ela ajuda os cientistas a explicar não só a gravidade, mas também como funciona o universo inteiro. Os cientistas usaram a relatividade geral para mapear como a matéria está disposta no universo. Também é usada para estudar a misteriosa “matéria escura”, que não brilha como as estrelas. Efeitos da relatividade geral também ajudam na busca de mundos distantes agora conhecidos como exoplanetas.
“As implicações das descobertas, sobre o universo”, o famoso físico Stephen Hawking escreveu uma vez, “foram mais surpreendentes que Einstein poderia imaginar”.
