(Créditos da imagem: Reprodução).

A Teoria da Relatividade foi bastante polêmica no início, já que ela ousava dizer que Newton estava errado em alguns pontos. Newton era um cientista inquestionável, e Albert Einstein era um mero jovem funcionário público, academicamente mal sucedido, e que trabalhava em um escritórios de patentes na Suíça.

Hoje sabemos o quanto Albert Einstein acertou, e as previsões da Teoria da Relatividade seguem sendo comprovadas até hoje, e muito do que suas teorias previram foi comprovado somente agora nos últimos anos, mais de um século depois, como as ondas gravitacionais, a foto do buraco negro e a relatividade do tempo.

Neste texto falaremos um pouco do que é a Relatividade Geral. Este é o segundo artigo da série ‘Explicando o Universo’, que tem como principal intuito desmistificar um pouco das principais teorias que regem o universo — e a busca pela Teoria de Tudo — a teoria final que unifica o macro e o microcosmos.

No princípio Newton criou os céus e a Terra

Antes do Newton inventar a gravidade, sim, as pessoas voavam por aí, senhor Olavo. Brincadeiras à parte, Newton foi o cientistas que conseguiu explicar um pouco da gravidade. Não entendíamos muito sobre essa força, e o famoso cientista Isaac Newton conseguiu explicá-la através das fórmulas, embora não tenha encontrado a origem da gravidade.

Newton nasceu na Inglaterra do ano de 1643, e realizou grandes avanços em diversos campos científicos, como na óptica, com seus experimentos da refração da luz, na matemática, com a criação do cálculo, e na astronomia, com a Gravitação Universal, além de muitos outros campos de atuação — é considerado pela Royal Society como o cientista que causou maior impacto na história da ciência.

Isaac Newton. (Créditos da imagem: Reprodução).

Em 1687, aos 44 anos de idade, Newton publica sua obra Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, ou ‘Princípios Matemáticos da Filosofia Natural’, no português. Na época o latim era a língua franca, a língua universal da ciência e de alguns outros campos — um papel como o papel do inglês nos dias de hoje.

Há algumas polêmicas envolvendo alguns trabalhos atribuídos a Newton com relação a Robert Hooke, seu principal inimigo — desgosto tal que transcendia o mundo acadêmico. Entretanto, vamos considerar aqui o lado comumente apresentado. Os infortúnios entre Newton, Hooke e outros rivais podem ser abordados futuramente, em outro artigo.

É desta obra que surge a Lei da Gravitação Universal, a lei que encontra os padrões e descreve a gravidade por meio de equações matemáticas. A lei ainda envolve e depende das três leis de Newton: a inércia, a lei das forças e a lei da ação e reação, respectivamente.

A lei, por meio da fórmula abaixo, relaciona: a força gravitacional (F); a Constante gravitacional (G), que é de 6,67 x 10^-11 Nm²/kg² para o sistema solar e muda de acordo com cada sistema; a massa dos corpos que se atraem entre si, em quilogramas (m1 e m2), como o Sol e a Terra, por exemplo, e a distância entre esses corpos (d) elevada ao cubo:

É uma equação bastante simples, e que funciona muito bem para os casos menos extremos. Junto com as leis de Kepler, ela descreve com perfeição a gravidade da Terra, por exemplo. Entretanto, mais tarde surgiram alguns problemas, como o fato de que movimentação de Mercúrio, o planeta do sistema solar mais próximo do Sol não obedecia a teoria.

Mais tarde, com a Relatividade de Einstein, descobriu-se que em condições mais extremas, as equações de Newton são servem. Antes de Einstein, cientistas chegaram a postular a existência de um planeta desconhecido próximo a Mercúrio e que causava essa misteriosa interferência em sua órbita, que foi chamado de Vulcano — e inspirou os vulcanos de Star Trek.

Einstein causa um alvoroço

Você já deve ter percebido que as escolas geralmente não gostam muito de questionamentos, não é? Infelizmente, grande parte das escolas desejam apenas que os alunos decorem o conteúdo e repliquem aquilo para passar no vestibular, em um verdadeiro estilo industrial. Bom, na época de Einstein isso era muito pior.

Desde criança, Einstein se destacou por sua rápida capacidade de aprendizagem, imaginação e criação. Os professores, entretanto, não gostavam muito dele, já que ele era questionador e não se encaixava no sistema de “decoreba” das escolas. Mais tarde, ele ingressou na Escola Politécnica de Zurique, e teve esse mesmo problema com o sistema de ensino.

Mesmo com os descontentamentos que surgiram ao longo do curso, no ano de 1900 ele se forma como físico pela Politécnica de Zurique, e não conseguiu nenhum cargo em alguma escola ou universidade, já que seus professores se recusavam a redigir uma carta de recomendação, por considerar que Einstein era uma pessoa indisciplinada em demasia.

O que lhe restou, portanto, foi um trabalho em escritório de patentes na Suíça, após dois anos procurando um emprego. No escritório, ele trabalhava em tempo integral e podia se dedicar aos seus estudos apenas durante o seu tempo livre. Esse obstáculo no âmbito profissional não o impediu de, em pouco tempo, revolucionar a física, entretanto.

É nesse contexto que o cientista lança, em 1905, uma série de artigos que pura e simplesmente mudaram os rumos da física. Entre eles, destacam-se quatro: o efeito fotoelétrico, que lhe rendeu um Nobel; o movimento browniano; a equivalência entre massa e energia, representada pela famosa equação E = mc² (energia = massa vezes a aceleração da luz ao quadrado) e por fim, a Relatividade Restrita.

É em homenagem ao ano Ano Miraculoso de Einstein, como ficou conhecido 1905, que o dia dezenove de maio (19/05) é considerado o dia do físico.

É claro que ninguém aceitou aceitou aquilo tudo. Um jovem funcionário público, um burocrata, com apenas 25 anos de idade, dizer que tudo aquilo que a física fazia estava errado era uma ousadia enorme. Entretanto, Einstein permaneceu desenvolvendo seus trabalhos e foi conquistando o respeito da academia, pois os cientistas foram notando que de fato aquilo que ele estava propondo fazia sentido.

Sua vida continua normalmente, como um simples burocrata. Em 1907 ele inicia seus trabalhos pela continuação da Relatividade Restrita, a Teoria da Relatividade Geral, que atava muitos pontos pendentes. Apenas no ano de 1908 ele deixa o escritório de patentes, convidado para ser professor na universidade de Berna, e atua em diversas outras universidades após isso.

Relatividade Restrita e Relatividade Geral

Como pontuado anteriormente, inicialmente Einstein publica a Teoria da Relatividade Restrita, onde ele começa a adentrar em uma nova abordagem de referenciais. Nessa primeira, entretanto, ele descreve os fenômenos físicos na ausência dos campos gravitacionais.

Dentre as principais inovações do artigo estão a variação dos acontecimentos de acordo com o observador (por isso chama-se Teoria da Relatividade), a velocidade da luz como o mais próximo de algo absoluto, já que ela é a mesma independente do observador, e a inexistência de um sistema de referência absoluto, um efeito colateral da relatividade dos acontecimentos.

A Relatividade Geral, por sua vez, é publicada somente em 1915, e ela inclui a gravidade na explicação dos fenômenos físicos, além de considerar o tempo como uma quarta dimensão não absoluta, e unifica-a às dimensões espaciais. Temos, portanto, o tecido espaço-tempo, que realmente se comporta como um tecido, e essa é uma peça chave para a Teoria.

Tecido espaço-tempo

Lembra que havíamos falado sobre Newton? Pois então, Isaac Newton descreveu a gravidade com sua equação – dois corpos com massas se atraem mutuamente, e essa atração depende a massa e da distância entre eles. O que Newton não sabia, entretanto, é do que exatamente se trata a gravidade. Ele sabia apenas que ela se comporta como um tipo de aceleração.

Einstein mostrou que a gravidade não é exatamente uma força. Chamamos-a de força mais por uma questão de costume e facilidade, mas essa força é, pode-se de dizer, como uma ilusão. A gravidade é nada mais do que uma deformação no tecido espaço tempo. Por isso eu disse que ele é realmente como um tecido.

Tecido espaço-tempo. (Créditos da imagem: Wikimedia Commons).

Vamos fazer um experimento. Pegue um tecido qualquer, pode ser um lenço, uma camiseta, o que você tiver à sua disposição. Estique o tecido e coloque um objeto nele. A região em torno do objeto vai se deformar, correto? E você pode notar, ainda, que essa deformação aumenta quando a massa desse objeto aumenta. Bom, é isso que causa o que chamamos de força da gravidade.

E os planetas não “caem” no Sol, nem os satélites caem na Terra graças à sua velocidade. Os planetas giram no entorno do Sol com uma velocidade muito alta, que gera uma força contrária, que tenderia a lançá-los para fora, caso não estivessem atraídos em um ponto. O mesmo para os satélites – que precisam ter sua altura reajustada de vez em quando, além da velocidade na translação.

Relatividade de tempo e espaço como implicações

Newton também considerava que o tempo e espaço fossem absolutos, e Einstein demonstrou que isso não é verdade. A forma como ambos se comportam depende da deformação — ou seja, de algum objeto massivo causando-a, e quanto mais para dentro da deformação, mais devagar o tempo passa.

E nem precisamos de tanta massa nem tanta distância para detectar. Claro, que nessas condições não tão radicais, um relógio comum ou um ser humano não são capazes de notar a diferença. Entretanto, possuímos tecnologia suficiente para realizar esse tipo de experimento.

Recentemente, um grupo de pesquisadores conseguiu registrar essa diferença de tempo na Tokyo Skytree, a torre mais alta do mundo. Havia uma diferença de 450 metros de altura entre os relógios. Para notar tal variação, entretanto, eles precisaram de um relógio que possuía uma precisão de 18 casas decimais. Anteriormente, esse experimento já havia sido feito com satélites e montanhas.

Se você assistiu ao filme Interestelar, deve se lembrar do momento em que os exploradores estavam em seus respectivos planetas. Os que estavam mais próximos ao buraco negro, sentiam o tempo passar mais devagar em relação à Terra — tanto que, sem spoilers, quando Cooper volta para a Terra, sua filha está bem mais velha que ele próprio.

Como sabemos que Einstein está correto?

Diversos efeitos decorrem das implicações da Relatividade, que podem ser medidos experimentalmente e confirmar, ou anular a Teoria. Até os dias de hoje, centenas de experimentos ocorreram como o previsto pela teoria. A primeira confirmação experimental da Relatividade Geral ocorreu em 1919, quatro anos após a publicação da teoria, no Brasil.

Em resumo, se Einstein estivesse correto, o Sol distorceria o espaço em seu entorno, e o momento perfeito para isso seria durante um eclipse solar total. Como a Lua entraria na frente do Sol, haveria um pequeno tempo de uma certa escuridão próximo ao Sol, suficiente para enxergar alguma estrela.

Como o espaço estaria deformado, o caminho da luz também se deformaria. Portanto, bastava fotografar essa estrela e comparar a posição em que a enxergávamos e a posição que ela deveria estar, e isso é facilmente calculável. E foi o que fizeram.

No dia 29 de maio de 1919, comitivas de cientistas foram para Sobral, no estado brasileiro de Ceará, e para alguns locais da África. Einstein foi para a ilha de São Tomé e Príncipe, na África, mas dizem que lá estava nublado. As diversas comitivas, portanto fizeram suas fotografias.

O astrônomo Teófilo H. Lee, um dos membros da equipe brasileiras em Sobral – CE, faz uma observação através de seu telescópio. (Créditos da imagem: Observatório Nacional).

E o resultado foi que de fato, a posição real da estrela era diferente do que a posição que constatava-se visualmente. Isso provou que a massa de um corpo de fato deformava o espaço, que por sua vez realmente se comportava como um tecido e interferia no caminho luz e de outros corpos com massa.

Ondas gravitacionais, buracos negros e outras confirmações

Em 2015 os cientistas detectaram as primeiras ondas gravitacionais da história, e ela já eram previstas 100 anos antes, pela Relatividade Geral. A detecção é feita com um equipamento gigante e extremamente sensível, geralmente em um deserto, que funciona com um laser. Desde então, diversas outras detecções de ondas gravitacionais foram feitas, e elas se demonstraram como um excelente novo meio de se explorar o universo.

As ondas gravitacionais são geradas com o choque de dois corpos massivos. Para conseguirmos identificar, é necessário que sejam realmente bem massivos, como estrelas de nêutrons e buracos negros. Com o choque, eles geram ondas no espaço de verdade, como aquelas pequenas ondas que se formam quando jogamos uma pedra na água.

Outra clássica confirmação foi a primeira fotografia de um buraco negro, feita em 2019, que realmente se parecia com os buracos negros que geramos em simulações, previstos pela Relatividade, embora o próprio Einstein duvidasse da existência deles, e considerava que isso havia sido um erro seu.

Uma das mais impressionantes confirmações foi feita agora em 2020, com a maluca órbita de uma estrela em torno de um buraco negro. Lembra que eu havia dito que a teoria de Newton não explicava órbitas em condições extremas? Bom, esse é um caso parecido com o de Vênus, mas em um caso ainda mais extremo, e a órbita da estrela possuía um formato de roseta, ao invés da famosa elipse. Veja essa observação e a explicação através deste link.

Até os dias de hoje ninguém conseguiu refutar Einstein, e a sua Teoria da Relatividade Geral não só continua a valer, como baseia outras diversas novas teorias, além de, é claro, nos impressionar cada dia mais com suas dezenas de previsões, confirmadas experimentalmente apenas após mais de um século após propostas por um jovem cientista renegado no início da carreira.

Referências:

  1. Encyclopædia Britannica. “Albert Einstein”. Acesso em: 11 jul. 2020.
  2. Encyclopædia Britannica. “Isaac Newton”. Acesso em: 11 jul. 2020.
  3. FEYNMAN, Richard et al. “Lições de Física: The Feynman Lectures on Physics”. Edição definitiva. Porto Alegre : Bookman, 2008. (Disponível também gratuitamente pela Caltech na língua inglesa neste link).
  4. GAL, Ofer. “The Invention of Celestial Mechanics”; Early Science and Medicine Acesso em: 11 jul. 2020.
  5. LIGO. “Gravitational Waves”. Acesso em: 11 jul. 2020
  6. NORTON. John D. “General Relativity”. Acesso em: 11 jul. 2020.
  7. Revista Pesquisa Fapesp. “O eclipse que confirmou Einstein”. Acesso em: 11 jul. 2020.
  8. TAKAMOTO, Masao et al. “Test of general relativity by a pair of transportable optical lattice clocks”; Nature Photonics. Acesso em: 11 jul. 2020