O caminho de um conjunto revolucionário de equações para a detecção de ondas gravitacionais foi cheio de obstáculos e controvérsias, explica o físico Daniel Kennefick – e a luta continua.
teóricos de ondas gravitacionais (da esquerda para a direita) Robert Oppenheimer, Roger Penrose, Albert Einstein, Karl Schwarzschild, Arthur Eddington, Kip Thorne e Richard Feynman, cujos trabalhos ajudaram a pavimentar o caminho para a grande anúncio do LIGO na semana passada.
Não existem ondas gravitacionais…” … “ondas gravitacionais planas, viajando ao longo do eixo-x positivo, podem, portanto, serem encontradas…”… “… ondas gravitacionais não existem …” … “Ondas gravitacionais exitem?” … “Acontece que existem soluções rigorosas… “
Estas são as palavras de Albert Einstein. Por 20 anos, ele equivocou-se sobre ondas gravitacionais, sem saber se estas ondulações no tecido do espaço e do tempo seriam previstas ou descartadas por seu revolucionário trabalho de 1915 sobre teoria da relatividade geral. Por toda a elegância conceitual da teoria – que revelou a gravidade como sendo o efeito de curvas no “espaço-tempo” – sua matemática era extremamente complexa.
A questão foi resolvida de uma vez por toda a semana passada, quando os cientistas da Laser Interferometer Gravitational – Wave Observatory (LIGO) relataram que tinham detectado as ondas gravitacionais que emanam da fusão violenta de dois buracos negros a mais de um bilhão de anos-luz de distância. Pegando o sinal – uma pequena onda de contrações e expansões no espaço-tempo chamado de “murmúrio” – exigindo um extraordinário requinte técnico. Mas também levou 100 anos para os cientistas a determinarem o que, exatamente, a teoria de Einstein predizia: não só que as ondas gravitacionais existem, mas como eles se parecem depois de atravessar o cosmos a partir de um par de buracos negros coalescentes – buracos inevitavelmente íngremes no espaço-tempo, cuja existência era ainda mais difícil de Einstein aceitar.
Daniel Kennefick , um físico teórico da Universidade de Arkansas, começou sua carreira como um estudante de graduação trabalhando com co-fundador da LIGO, Kip Thorne para desvendar as previsões da relatividade geral. Fascinados pela história controversa da pesquisa de ondas gravitacionais, Kennefick começou um lateral como historiador; ele é o autor do livro de 2007 “Viajando na velocidade do pensamento: Einstein e a procura para ondas gravitacionais”, e no ano passado ele foi co-autor de uma enciclopédia de Einstein. Em discussões antes e depois do grande anúncio de quinta-feira, Kennefick relatou a viagem que leva até ela e explicou onde teóricos devem ir a partir daqui. Uma versão editada e condensada da conversa segue:
Quão emocionante foi o anúncio de quinta-feira passada para você?
DANIEL KENNEFICK: Eu não podia acreditar como foi emocionante. É ótimo, dada a história muito controversa do campo, que é uma detecção incontestável. Eles não tem que cavar o sinal de fora do barulho como muitos de nós esperávamos que seria; você pode realmente vê-lo nos dados com seus próprios olhos. E do ponto de vista de um teórico, estamos muito felizes que as previsões teóricas estavam tão próximas da realidade. Não havia o sinal, e não havia a sua previsão de que a forma de onda a partir da fusão de dois buracos negros se pareceria sobrepor a isso.
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| Daniel Kennefick, um físico teórico e estudioso de Einstein da Universidade de Arkansas. |
Como você caracterizaria a história da pesquisa de ondas gravitacionais que levou até este momento?
Não há dúvida de que uma grande característica tem sido polêmica – uma série de controvérsias. Controvérsias sobre se as ondas gravitacionais existem. Será que elas realmente existem? Será que elas carregam energia? Será que elas existem de uma forma que podemos ter esperança de detectá-las? Mesmo apenas ontologicamente: Qual é a realidade? Você está medindo algo aqui ou você está brincando com a gente?
E isso tem sido verdade desde o início. A primeira menção de ondas gravitacionais que temos de Einstein é dele dizendo que elas não existem. ondas gravitacionais eram uma ideia muito ousada, tão ousada que começou a entrar a cabeça das pessoas 100 anos atrás, e ainda assim há sempre aquela sensação de incerteza. Uma pergunta será respondida, mas uma nova pergunta ainda surgirá.
Como é que a frase em seu título do livro – “Viajando na velocidade do pensamento” – captura esta incerteza?
Quando Einstein escreveu seu artigo [prevendo ondas gravitacionais] em 1916, ele pensou ter descoberto três tipos diferentes de ondas gravitacionais. No início desse ano, quando ele pensou que não existia nas ondas, ele estava usando o sistema errado de coordenadas. Ele mudou para um sistema de coordenadas diferente, por sugestão de um colega, e que lhe permitiu ver mais claramente que havia ondas. Mas este sistema de coordenadas é o próprio tipo de ondulação, e assim descobriu-se que duas das ondas que ele pensava que ele estava olhando eram o espaço realmente plano visto em um ondulado sistema de coordenadas; não são as ondas propriamente ditas.
[O astrônomo e físico Inglês] Arthur Stanley Eddington respondeu a artigo de Einstein em 1922, e ele estava interessado na questão: ondas gravitacionais viajam à velocidade da luz? A resposta é que, como sabemos hoje, com certeza sim. Eddington fez o seu cálculo para mostrar que isso, e ele percebeu que os outros dois tipos de ondas, os espúrios, podiam viajar a qualquer velocidade dependendo de qual sistema de coordenadas que você usar, e então ele disse essas ondas falsas “viajam à velocidade do pensamento”. É uma frase encantadora porque, por um lado, mostra o ceticismo -“viajando na velocidade do pensamento” como algo que não é real. E, por outro lado, mostra a importância do ceticismo, porque afinal de contas, não há três tipos de ondas gravitacionais; há apenas um tipo.
E então Einstein mudou de ideia novamente em 1936 e disse que não existem ondas gravitacionais. O que aconteceu?
Einstein e seu assistente Nathan Rosen partiram para encontrar uma solução exata [em vez de aproximada] de ondas gravitacionais, e descobriram um problema. Não importa como eles tentassem criar seu sistema de coordenadas, eles sempre encontrariam um lugar com “singularidade” no espaço-tempo. Uma singularidade significa um lugar onde não podemos atribuir um número a quão grande a onda está lá. Agora, a verdade é que essa singularidade foi apenas uma singularidade de coordenadas; não é um problema real com ondas gravitacionais.
Pense sobre o Pólo Norte. Se eu lhe perguntar qual é a longitude do Pólo Norte, você vai dizer: “Bem, todas as linhas de longitude passam através do Pólo Norte.” O nosso sistema de medição se quebra lá, mas isso não significa que o Pólo Norte não existe ou você não possa ir lá. Fisicamente, ele existe. Então Einstein e Rosen estavam confusos. Eles pensavam que, desde que houve uma singularidade lá, o que proporcionou uma prova de que as ondas gravitacionais não poderia existir. Então eles escreveram este documento e enviaram-lo para a Physical Review. E o árbitro escreveu um relatório de 10 páginas apontando para a possibilidade de um erro, e que foi enviado de volta para Einstein. Ele reagiu muito zangado e apenas retirou o artigo.
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E algumas pessoas começaram a discutir que, mesmo se existisse ondas gravitacionais, que não seria possível sentir-los.
Em 1955, Nathan Rosen tentou argumentar que as ondas gravitacionais não carregam qualquer energia, por isso elas são apenas uma construção matemática formal sem significado físico real. Uma boa maneira de pensar sobre isto é, se eu estou fora no oceano e há uma enorme ondulação lá, eu não poderia mesmo estar ciente de que ela está lá, porque eu vou levantar-se com a onda e depois mergulhar de volta para baixo com ela. Se as ondas gravitacionais são assim como o profundo oceano, elas realmente interagem conosco ou nós todos apenas se movemos juntos para cima e para baixo nas ondas? Isso foi um grande debate nos anos 50.
Como é que essa pergunta foi respondida?
O argumento de Rosen foi criado em uma conferência em 1957 em Chapel Hill, NC, e, felizmente, um homem chamado Felix Pirani, que infelizmente acabou de falecer, veio para a conferência. Ele tinha decidido olhar para obras relatividade como gerais, usando uma abordagem muito prática que tem em torno de todo este problema do sistema de coordenadas, e ele mostrou que as ondas movem as partículas e para trás a medida que elas passam.
Richard Feynman ouviu falar de Pirani e disse, em essência, “Bem, já sabemos que as partículas se movem, tudo o que temos a fazer é imaginar um pedaço de pau, e nele podemos colocar alguns colares. Quando a onda passa, os colares irão frente e para trás, mas a vara vai ficar rígida porque as forças eletromagnéticas nela vão tentar manter os átomos e elétrons nas mesmas posições como eram anteriormente. Então, o colar vai arrastar contra a vara, e o atrito irá produzir energia. E a energia deve ter vinda da onda gravitacional. Então, eu concluo que a onda tem energia. Portanto, este famoso experimento mental convenceu muita gente de que não havia qualquer razão para o ceticismo no qual Rosen tinha avançado. E então, pessoas como Joe Weber começaram a tentar detectar as ondas gravitacionais pouco depois.
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Einstein mostrou em 1918 que os sistemas parecido com alteres que giram em torno de dois eixos de uma vez, como estrelas binárias, irradiam ondas gravitacionais. |
Mas as pessoas ainda não sabiam se haveria quaisquer fontes astrofísicas de ondas gravitacionais fortes o suficiente para detectar, certo?
Certo. Einstein escreveu que era improvável que alguém encontrasse um sistema cujo comportamento seria mensuravelmente influenciado por ondas gravitacionais. Ele estava apontando que as ondas de um sistema típico de estrela binárias distantes emitira pouca energia, nós nunca sequer notamos que o sistema tinha mudado – e isso é verdade. A razão pela qual podemos vê-las a partir dos dois buracos negros é que eles são mais próximos do que duas estrelas poderiam ser. Os buracos negros são tão pequenos e tão massivos que eles podem estar perto o suficiente para mover em direção um do outro, muito rapidamente. Uma vez que Einstein não acreditava na existência de buracos negros, ele simplesmente não conseguia conceber um sistema que pudesse comportar-se de tal forma que você seria capaz de ver as ondas gravitacionais.
Karl Schwarzschild encontrou a solução do buraco negro para as equações de Einstein em 1916, o mesmo ano Einstein previu ondas gravitacionais. Por que Einstein não acreditava em buracos negros depois disso?
Os buracos negros-se tem uma história muito controversa e complexa, e detecção do Ligo foi a primeira prova realmente completa da existência de buracos negros. Em 1916, Einstein pensava que Schwarzschild tinha acabado de descobrir uma simplificação da física: Assim como poderia tratar a Terra como um ponto de massa [com a sua massa concentrada a um ponto] para simplificar, eles pensaram que a “solução de Schwarzschild” – o que hoje chamamos de um buraco negro – tratava o Sol como um ponto de massa apenas por conveniência. Eles não acham que isso nunca seria uma coisa real, onde você teria a massa concentrada em um ponto. Eles pensavam que era impossível, ultrajante. Na década de 1930 ele estava começando a despontar sobre as pessoas, “Você sabe, não é inteiramente claro para nós que a teoria impede que isso aconteça.” Aos poucos, as pessoas como Robert Oppenheimer, o famoso diretor do Laboratório de Los Alamos do Projeto Manhattan (que produziu as primeiras bombas atômicas), começou a mostrar que era possível em uma estrela em colapso até que ele realmente criou algo que realmente se parecia com a solução de Schwarzschild. E que o trabalho foi retomado em 1960 pelo grupo de John Wheeler, dos quais Kip Thorne era um dos alunos, e eles e outros desenvolveram a teoria dos buracos negros.
Como é que as pessoas, em seguida, descobriram com o que as ondas gravitacionais produzidas pela fusão de buracos negros pareceriam vistas da Terra?
Um problema-chave foi impor a condição de que não há ondas que entram no sistema de buraco negro binários infinitamente distante, mas apenas ondas que sair para o infinito. Mas isso é realmente muito difícil de fazer, porque você geralmente precisa de um formalismo matemático completamente diferente para descrever o campo gravitacional muito distante – pelo “infinito” ou fora aqui na Terra – do que você precisa para descrever os próprios buracos negros. As pessoas iriam tentar fazer este cálculo nos anos 1950 e 60 e iria receber respostas erradas. Em alguns casos, eles iriam receber uma resposta que os buracos negros foram ganhando energia, em vez de perdê-la, porque eles cometeram um erro e tinha ondas de entrada levando energia a partir do espaço infinitamente distante. Então o que aconteceu no decorrer da década de 1960 foi que as pessoas como Roger Penrose, o grande relativista Inglês, fez uma pesquisa sobre a estrutura do espaço-tempo. E Penrose descobriu que há mais de uma infinidade na borda do espaço e do tempo, e você tem que escolher o infinito correto no qual irá impor suas condições. E, em seguida, outras pessoas introduziram técnicas de dinâmica de fluidos. Estes são apenas exemplos de diversos avanços conceituais e fórmulas que tiveram que ser feitas.
A onda gravitacional “soa” observada pelos detectores da LIGO Handford (canto superior esquerdo) e LIGO Livingston (canto superior direito), em comparação com as previsões teóricas (linha inferior) do murmúrio de dois buracos negros de 29 e 36 massas solares, respectivamente, fundindo há 1.3 bilhões de anos-luz de distância. B. P. Abbott et al., Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102
E então o próximo passo estava em prever os sinais particulares que os detectores do LIGO pudessem captar.
Em uma das minhas primeiras reuniões de grupo em grupo de Kip como um jovem estudante – em 1991 – ele entrou com uma grande folha de papel, e ele tinha digitado tudo o que precisava no lado da teoria, se o LIGO funcionasse. Porque toda a razão que você possa detectar o sinal é que ele tem essa característica de varredura, e você filtra os dados contra ela. Mas você só pode filtrar se você sabe com o que o sinal se parece, e, uma vez que você nunca viu antes, você só pode saber com o que se parece, se os teóricos disserem. E assim como Kip disse, eu quero que todos no grupo para trabalhar neste. E é isso que nós fizemos.
Você gostaria de ter uma previsão da forma de onda, desde o início de onde LIGO pudesse concebivelmente ver o sinal para a fase final, onde o buraco negro se estabeleceu novamente e não está emitindo mais ondas. Mas não há nenhum método único que possa lhe dar a coisa toda. Para a primeira etapa, você pode usar métodos de aproximação que já estavam ao redor naquele tempo, mas percebeu-se que várias ordens de magnitude e mais níveis de aproximação seriam necessários, e isso foi muito difícil. E então, quando os buracos negros estão se fundindo, a gravidade é incrivelmente forte, e por isso você precisa de métodos numéricos, onde você faz o cálculo em um supercomputador. Havia um monte de grupos que estavam tentando fazer isso, e eles foram confrontados com sérios desafios. Eles não poderia evoluir os dois buracos negros ao longo de mais do que uma pequena quantidade de tempo, o que não ajuda em nada. E assim, há alguns anos, eles basicamente decidiram, “Nós simplesmente não temos uma escolha. Nós vamos continuar a mudar os nossos sistemas de coordenadas até encontrar algo que funciona, que não falha conosco”. E um cara chamado Frans Pretorius encontrou uma maneira de fazê-lo , e os métodos surgiram.
Há essa esperança de que LIGO vai “abrir uma nova janela sobre o universo” através da detecção de ondas gravitacionais de objetos astrofísicos anteriormente desconhecidos. Considerando o esforço inicial em reconhecer o sinal de uma fusão buracos negros, como vamos ser capazes de ver o inesperado?
Sim, a verdadeira emoção seria encontrar algo que não esperava. Uma possibilidade é que o inesperado possa nos ajudar por ser um sinal muito grande. Nossas esperanças aumentaram um pouco, porque o LIGO original ficou on-line por um bom tempo e se o sinal for muito grande, nós poderíamos tê-lo visto. Como ele não se parece com o inesperado não vai ser fácil, então, como vamos cavar o sinal de fora do ruído?
Uma resposta é que existem certos tipos de técnicas onde você não se compromete a não saber precisamente o que o sinal pareça ser, mas você só olha para determinados tipos de regularidades — por exemplo, talvez este sinal inesperado seja pelo menos um sinal periódico. E LIGO é, certamente, capaz de fazer isso. Eles ainda têm o projeto ” Einstein @ Home projeto”, onde eles vão enviar um pedaço de dados LIGO para o seu computador se você se inscrever para isso, e seu computador pessoal vai ajudar a olhar para as coisas “simples” como essa. Outra abordagem é usar a aprendizagem da máquina para tentar ensinar máquinas a procurar sinais. Você começa com o que você sabe, mas há alguma esperança de que ao longo do tempo estas técnicas possam crescer e se desenvolver para onde eles se tornam suficientemente flexíveis para pegar coisas que não são o que você espera.
O que você tira dessa história?
Estou impressionado com a natureza coletiva do empreendimento. Tinha que ser um esforço colaborativo; Cada passo era suficientemente difícil que tivemos de ir para a próxima etapa. E esforços coletivos vêm com sarcasmo e disputas. Pessoas gritavam uns para os outros. Mas as melhores qualidades da natureza humana venceram. As pessoas superaram sua raiva. Einstein superou sua raiva. Pessoas admitiram que eles estavam errados. E, eventualmente, como uma comunidade, chegamos lá.
Traduzido e adaptado de Quanta Magazine
