Mistérios do Universo: Teoria da Relatividade Geral

Em 29 de maio de 1919, uma enorme sombra tomou lugar no Caribe e estava prestes a fazer história: enquanto a Lua nova cobriu o disco incrivelmente brilhante do sol, os astrônomos mediram o deslocamento das estrelas que apareceram no céu escuro ao lado do Sol totalmente eclipsado. O resultado correspondia precisamente com o que Albert Einstein tinha previsto a menos de quatro anos antes em sua teoria geral da relatividade. “A revolução na ciência” foi manchete no Times de Londres, de novembro de 1919. Qual foi a razão para esta euforia? Como surgiu essa confirmação de uma nova visão científica do mundo?

Diretoria no sótão: Em outubro de 1917, o Instituto Kaiser-Wilhelm de Física começou oficialmente o seu trabalho em Berlim, sob a liderança de Albert Einstein – embora não em um edifício espaçoso, mas no apartamento de seu diretor famoso. Einstein dirigiu este Instituto incomum por cinco anos. © S.Tamaru / MPG-Archiv

Em 25 de novembro de 1915, Albert Einstein publicou um artigo de apenas três páginas e, assim, deu os últimos retoques a uma construção de ideias que visualizaram a gravidade sob uma nova luz. Em sua Teoria da Relatividade Especial, que ele tinha desenvolvido a dez anos antes, o então físico de 26 anos de idade descobriu que o comprimento medido de um objeto e a duração do processo dependem de como o observador se move em relação ao evento. Além disso, Einstein postulou, em consequência, a equivalência de massa e energia: cada uma pode ser convertida na outro pela famosa equação e=mc².

A teoria da relatividade especial, aplica-se somente aos sistemas que estão em movimento uniforme. Einstein agora expandiu seus pensamentos para movimento acelerado e incluiu a gravitação. Ele combinou o espaço e tempo no chamado espaço-tempo quadridimensional, e concluiu que a gravidade determina a geometria deste espaço-tempo.

Um exemplo serve para ilustrar a afirmação crucial da Teoria da Relatividade Geral: Imagine um colchão que não seja muito firme. Se colocarmos uma bola de boliche sobre o colchão, certamente ele irá afundar. Agora, se colocarmos uma bolinha de gude para rolar sobre o colchão, ela não continuará seu caminho linear, pois em algum momento ela entrará na borda do “poço” onde está a bola de boliche. Resumindo, se a bolinha de gude não for arremessada em seu trajeto com velocidade suficiente, ela irá rolar na direção da bola de boliche e finalmente cair no poço.

Agora vamos transferir a experiência para o universo: o colchão é o espaço-tempo, a bola de boliche é o nosso Sol e a bolinha de gude é um planeta. De acordo com Einstein, os planetas não são atraídos pelo Sol, mas se movimentam ao longo da curvatura causada pelo recuo no espaço-tempo provocado pela enorme massa do Sol.

O próprio Albert Einstein reconheceu logo que este tipo de trajetória curva é aplicada não só aos planetas mas também aos grandes corpos celestes em movimento. Raios de luz também devem viajar em caminhos curvados em um campo gravitacional. Einstein não foi o primeiro a perguntar-se como a luz reage às grandes massas. Em 1783, o estudioso inglês e Clérigo John Mitchell afirmou que a luz que, de acordo com Isaac Newton, deve ser composta de minúsculos corpúsculos – nem sempre viaja em linha reta, mas pode ser desviada pela força gravitacional de um corpo celeste.

Luz em um caminho curvo: Uma grande massa – o Sol, por exemplo – desvia a luz de uma estrela distante, que passa por perto. Um observador na Terra, portanto, vê a estrela em uma posição diferente. Esta mudança é pequena, na realidade, mas pode ser medida durante um eclipse total do Sol. Crédito: Horst Frank

Mitchell avançou mais um passo. Ele descreveu uma estrela gigante cuja gravitação é tão intensa que as partículas de luz emitidas retornariam de volta à superfície. Assim, o filósofo natural descreveu em última análise, um objeto que hoje chamamos de buraco negro.

No final do século XVIII, o matemático francês Pierre-Simon Laplace também descreveu – independentemente do Mitchell – corpos cuja força atrativa foi tão grande que nenhuma luz poderia escapar de sua superfície. Pierre calculou tal objeto e descobriu que a massa total do Sol teria de ser contraída para uma esfera de 6 quilômetros de diâmetro.

Finalmente, em 1801, Johann Georg von Soldner, que mais tarde se tornou o diretor do Observatório de Munique em Bogenhausen, publicou um ensaio denominado “A deflexão de um raio de luz a partir de seu movimento retilíneo”. Von Soldner calculou por quanto tempo a posição aparente de uma estrela distante mudaria no céu se sua luz passasse perto do sol. Ele chegou a um valor de 0,875 segundos de curvatura – um ângulo em que uma moeda de 1 euro apareceria a partir de uma distância de cinco quilômetros.

Embora Albert Einstein não estivesse ciente das deliberações do astrônomo de Munique, ele também estava trabalhando no problema da deflexão da luz do Sol por volta de 1911. Seus cálculos na verdade resultaram em um valor de 0,83 segundos de curvatura – bem próximo do que Soldner tinha estimado. Einstein propôs a testar a teoria em realidade, ou seja, medir o desvio aparente durante um eclipse total do Sol.

O próximo espectáculo deste tipo ocorreu em 1912, sobre o Brasil, mas foi literalmente um fracasso devido ao clima. Outro eclipse de 21 de agosto de 1914 ocorreu sobre a Rússia, três semanas após o surgimento da Primeira Guerra Mundial. Enquanto uma expedição alemã liderada por Erwin Freundlich foi sequestrada pelos russos, os astrônomos americanos liderados por William Campbell foram recebidos com um céu coberto de nuvens ao sul de Kiev, em vez do espetáculo natural do eclipse.

Portanto, as medidas não deram em nada – e aliás, seus resultados certamente não agradaram Einstein. O motivo é que, como ele avançou ainda mais seu trabalho para a teoria geral da relatividade ao longo dos próximos anos, ele descobriu a relação entre a gravidade e a curvatura do espaço descrito acima. Isto deve dar origem a um efeito que teve de ser adicionado para a pura deflexão causada pela gravidade. Em poucas palavras: A mudança de posição da estrela na periferia do Sol duplicou a 1,75 segundos de curvatura. Einstein publicou esse valor como parte de seu ensaio “A Fundação da Teoria Geral da Relatividade”, que apareceu em maio de 1916 no Annalen der Physik.

Os cientistas, portanto, esperaram para a próxima oportunidade para testar a previsão. Se fosse correta, a nova teoria teria passado em seu primeiro teste com distinção. A oportunidade chegou em 29 de maio de 1919. Os astrônomos determinaram os perfeitos locais de observação: a ilha do Príncipe, na costa da Guiné Espanhola e a Cidade de Sobral, no norte do Brasil.

Uma coisa era notável: foram pesquisadores ingleses que prepararam as duas expedições, enquanto a primeira guerra mundial ainda estava no auge, a fim de confirmar a teoria de um professor alemão. Albert Einstein tinha sido o diretor do Instituto Kaiser Wilhelm de física desde 1917 por iniciativa de Max Planck, embora o novo Instituto inicialmente confinasse os estudos de Einstein em um sótão acima de seu apartamento em Berlim-Schöneberg. Apenas cinco anos depois, em outubro de 1922, Einstein deixou a Alemanha devido a ameaças de morte e transferiu sua diretoria para Max von Laue.

Seis meses antes do eclipse solar total, os astrônomos tiraram fotografias da região do céu onde o sol escuro estava a ser observado em 29 de maio de 1919. Acabou sendo um golpe de sorte que o Sol estaria, então, no aglomerado de estrelas bem brilhantes conhecidas como as Hyades e as estrelas individuais deveriam então estarem claramente visíveis perto do Sol. Os cientistas, no entanto, foram confrontados com uma tarefa difícil.

Os 1.75 segundos de curvatura calculados aplicam-se apenas para casos em que a estrela esteja diretamente nos arredores do sol. À uma distância de dois raios solares, o ângulo diminui para 0,6 segundos de curvatura. Até mesmo uma mudança de um segundo de curvatura é fotografado na placa fotográfica de vidro como uma distância de apenas 0,026 milímetros pelo telescópio usado pela expedição na ilha do Príncipe! Além disso, a turbulência do ar sempre presente distorce a imagem da estrela e a refração na atmosfera desempenha o seu papel também.

Sol Negro: Em 29 de Maio de 1919, a nova Lua cobriu o disco incrivelmente brilhante do Sol. Os astrônomos naquela época já eram capazes de fotografar impressionante a dança das sombras. Esta foto histórica mostra claramente a corona, a atmosfera de gás exterior do Sol. Em 8 de março de 1919, duas expedições começaram da Inglaterra, uma destinada a ilha do Príncipe, a outra para Sobral. Arthur Eddington, o famoso cientista e Secretário da Royal Astronomical Society, coordenou as duas equipes: o próprio Eddington tinha montado seu acampamento em uma plantação de coco em Principe no dia do eclipse – e pela manhã uma chuva pesada começou a cair lá. Foi somente em direção ao meio-dia, durante o eclipse, que as nuvens se separaram várias vezes por alguns segundos. Os astrônomos levaram 16 fotografias, das quais apenas duas foram utilizáveis. Os pesquisadores na equipe de Andrew Crommelin em Sobral teve mais sorte; eles conseguiram tomar oito fotografias adequadas.

De volta à Inglaterra, Eddington avaliou as placas e anunciou o resultado preliminar em uma reunião em Bournemouth, no início de setembro de 1919. Em 6 de novembro, Crommelin apresentou o resultado final numa reunião conjunta da Royal Society e Royal Astronomical Society: o desvio na periferia do Sol atingiu 1,98 +/- 0,18 segundos de curvatura por um telescópio, e curvatura de 1,60 + 0.31 segundos para o outro.

Uma vez que dúvidas repetidamente tinha sido expressas sobre a precisão desses valores, placas fotográficas de Eddington foram re-medidas com instrumentos modernos em 1979 no Observatório Real de Greenwich. O resultado: 1,90 +/- 0,11 segundos de arco. O Teoria Geral da Relatividade havia passado no seu primeiro teste de voo em cores!

Em 7 de Novembro de 1919, o London Times intitulou um de seus artigos “Revolução na Ciência: Nova Teoria do Universo  e as Idéias de Newton derrubadas.” E o New York Times também escreveu em sua primeira página de 10 de Novembro: “Luzes na obliquidade do céu.” Em contraste com a recepção entusiástica mostrada pela imprensa estrangeira, a mídia na Alemanha era mais reticente sobre o assunto. Não até 14 de dezembro de 1919 quando o Berliner Illustrierte Zeitung publicou uma foto de Einstein e um artigo intitulado: “Um novo astro para a história do mundo: Albert Einstein, cuja pesquisa significa uma revolução total na forma de como vemos o mundo e cujas descobertas são iguais às de Copérnico, Kepler e Newton “.