Como um eclipse solar provou pela primeira vez que Einstein estava certo
Não só a coroa do Sol é visível durante um eclipse solar total, mas também, sob as condições certas, as estrelas localizadas a uma grande distância. Com as observações corretas, pode-se provar que a relatividade de Einstein está correta nessas condições exatas. Crédito da imagem: Luc Viatour / www.Lucnix.be.
Se o espaço fosse realmente curvo devido à matéria e energia, veríamos a luz se desviar. Um eclipse solar oferece a oportunidade perfeita.
Eddington precisou fazer correções significativas em algumas das medições, por várias razões técnicas, e no final decidiu deixar alguns dados de Sobral totalmente fora do cálculo. Muitos cientistas suspeitavam que ele tivesse cozinhado os livros. Embora a suspeita tenha perdurado por anos em alguns bairros, no final os resultados foram confirmados em eclipse após eclipse com precisão cada vez maior. – Peter Coles
A teoria geral da relatividade de Albert Einstein é a nossa teoria da gravidade mais bem-sucedida e mais sofisticada de todos os tempos. Explicando tudo, desde sinais de GPS ao desvio gravitacional para o vermelho, de lentes gravitacionais a buracos negros em fusão, e do tempo dos pulsares à órbita de Mercúrio, as previsões da Relatividade Geral nunca falharam. No entanto, quando essa teoria foi introduzida pela primeira vez em 1915, ela estava tentando substituir a gravitação de Newton, que permaneceu incontestada por mais de 200 anos. Prevendo que a luz das estrelas deveria se curvar levemente na vizinhança de uma grande massa, parecia uma alternativa quase não testável à teoria de Newton. No entanto, o fenômeno de um eclipse solar total permitiria que o teste crítico fosse realizado, justificando Einstein em um teste que observadores do céu interessados podem repetir para si mesmos durante qualquer eclipse total.
Um evento como um eclipse solar total pode fornecer um teste único da relatividade de Einstein, e foi assim que a teoria foi confirmada pela primeira vez quase um século atrás. Crédito da imagem: Estúdio de Visualização Científica da NASA.
A gravidade newtoniana, apresentada em 1687, é uma lei extraordinariamente simples: coloque quaisquer massas em qualquer lugar do Universo, a uma distância fixa, e você saberá imediatamente a força gravitacional entre elas. Isso explicava tudo, desde o movimento terrestre de balas de canhão até o movimento celestial de cometas, planetas e estrelas. Depois de 200 anos, ele passou em todos os testes que foram lançados em seu caminho. Mas uma observação incômoda ameaçou atrapalhar tudo: o movimento detalhado do planeta mais interno do nosso Sistema Solar.
Nos céus antes do amanhecer de Nova Gales do Sul, Austrália, Mike Salway conseguiu fotografar o alinhamento de 2009 da Lua, Mercúrio (topo), Júpiter e Marte. Embora Mercúrio seja o planeta mais próximo do Sol, observações detalhadas, particularmente perto do equador, podem mostrar sua posição com precisão por longos períodos de tempo. Crédito da imagem: Mike Salway.
Cada planeta se move em uma elipse ao redor do Sol. No entanto, essa elipse não é estática, retornando ao mesmo ponto fixo no espaço a cada órbita, mas sim em precessão. A precessão é como assistir a essa elipse girar no espaço ao longo do tempo, embora muito lentamente. Mercúrio foi observado com incrível precisão desde Tycho Brahe no final de 1500, então com 300 anos de dados, nossas medições foram extraordinárias. De acordo com a teoria de Newton, sua órbita deveria ter precedido em 5.557″ por século, devido à precessão dos equinócios da Terra e aos efeitos gravitacionais de todos os planetas na órbita de Mercúrio. Mas observacionalmente, observamos 5.600″ por século. Essa diferença, de 43″ por século (ou apenas 0,00012° por ano), não tinha explicação na estrutura de Newton.
De acordo com duas teorias gravitacionais diferentes, quando os efeitos de outros planetas e o movimento da Terra são subtraídos, as previsões de Newton são para uma elipse vermelha (fechada), contrariando as previsões de Einstein de uma elipse azul (precessiva) para a órbita de Mercúrio. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons KSmrq.
Mas a nova teoria de Einstein poderia explicar isso! Ele passou anos desenvolvendo a estrutura da Relatividade Geral, onde a gravitação não era causada por massas atraindo outras massas, mas sim por matéria e energia curvando o próprio tecido do espaço, pelo qual todos os objetos se movem. Na maioria das circunstâncias, a lei de Newton era uma boa aproximação do que a teoria de Einstein estabelecia. A distâncias muito pequenas de massas muito grandes, no entanto, as previsões de Einstein diferiam das de Newton, prevendo exatamente essa diferença de 43″ por século. Ainda assim, isso não é suficiente para substituir a velha teoria. Para derrubar uma teoria científica, uma nova deve fazer o seguinte:
- Reproduza todos os sucessos que a velha teoria teve (caso contrário, a velha teoria ainda é superior de alguma forma),
- Ter sucesso no regime onde a velha teoria não poderia (caso contrário, sua nova teoria não resolve o problema com a antiga),
- E para fazer uma nova previsão que você possa testar, distinguindo entre as ideias antigas e novas (caso contrário, você não tem nenhum poder preditivo cientificamente).
Essa última peça é onde entra o eclipse solar.
Durante um eclipse total, as estrelas parecem estar em uma posição diferente de suas localizações reais, devido à curvatura da luz de uma massa intermediária: o Sol. Crédito da imagem: E. Siegel / Além da Galáxia.
Quando as estrelas aparecem no céu noturno, a luz das estrelas viaja para nossos olhos de um local diferente na galáxia, a muitos anos-luz de distância. Se Newton estivesse correto, essa luz deveria viajar em uma linha completamente reta, não desviada por qualquer massa que passa perto (já que a luz não tem massa), ou deveria se curvar devido aos efeitos gravitacionais da equivalência massa-energia. (Afinal, se E = mc² , então talvez você possa tratar a luz como tendo uma massa efetiva de m = E/c² .) Mas a teoria de Einstein, particularmente se a luz passa muito perto de uma grande massa, oferece uma previsão diferente desses dois números.
Embora se possa argumentar que a gravidade newtoniana não previu nenhuma deflexão ou uma deflexão de uma quantidade específica devido à lei da força e E = mc², as previsões de Einstein foram definitivas e diferentes de ambas. Crédito da imagem: NASA / Cosmic Times / Goddard Space Flight Center, Jim Lochner e Barbara Mattson.
A maior massa que temos perto da Terra é o Sol, que normalmente torna a luz das estrelas invisível durante o dia. À medida que a luz das estrelas passa perto da borda do Sol, de acordo com Einstein, ela deve viajar ao longo desse espaço curvo, fazendo com que o caminho da luz pareça dobrado. Durante um eclipse solar total, no entanto, a Lua passa na frente do Sol, bloqueando sua luz e fazendo com que o céu fique tão escuro quanto a noite, permitindo que as estrelas sejam vistas durante o dia. Quando um observador na Terra vê essas estrelas durante um eclipse, suas posições parecerão ser alteradas em uma quantidade progressivamente maior quanto mais próximas elas estiverem do Sol, culminando no dobro da previsão newtoniana na borda do Sol.
Uma antiga placa fotográfica de estrelas (circuladas) identificadas durante um eclipse solar em 1900. Crédito da imagem: Chabot Space & Science Center.
Placas fotográficas do Sol durante um eclipse solar total revelaram não apenas detalhes da coroa do Sol antes, mas a presença e posições das estrelas durante o dia. No entanto, nenhuma das fotografias pré-existentes era de qualidade suficientemente alta para determinar as posições das estrelas com a precisão necessária; a deflexão da luz das estrelas é um efeito muito pequeno que requer medições muito precisas para detectar! Depois que Einstein apresentou sua teoria geral da relatividade em 1915, houve algumas chances de testá-la: 1916, em que a Primeira Guerra Mundial interferiu, 1918, onde tentativas de observações foram derrotadas por nuvens , e 1919, onde ocorreu o primeiro teste bem sucedido.
Placas fotográficas negativas e positivas reais da Expedição Eddington de 1919, mostrando (com linhas) as posições das estrelas identificadas que seriam usadas para medir a deflexão da luz devido à presença do Sol. Crédito da imagem: Eddington e Sobral, 1919.
Os resultados dessas observações foram convincentes e profundos: a teoria de Einstein estava certa, enquanto a de Newton fracassou diante da curvatura da luz das estrelas pelo Sol. Embora os dados e a análise tenham sido controversos, como muitos acusaram (e alguns ainda acusam) Arthur Eddington de manipular os livros para obter um resultado que confirmasse as previsões de Einstein, os eclipses subsequentes mostraram definitivamente que a Relatividade Geral funciona onde a gravidade de Newton não funciona. Além disso, uma reanálise cuidadosa do trabalho de Eddington mostra que ele foi, de fato, bom o suficiente para confirmar as previsões da Relatividade Geral. As reportagens nos jornais de todo o mundo anunciaram esse tremendo sucesso.
Uma manchete do New York Times (E) e do Illustrated London News (D), mostra não apenas a diferença na qualidade e profundidade da reportagem, mas também no nível de entusiasmo expresso por jornalistas em dois países diferentes nesta incrível pesquisa científica. avanço. Crédito da imagem: New York Times, 10 de novembro de 1919 (L); Illustrated London News, 22 de novembro de 1919 (R).
Hoje, é claro, a tecnologia de múltiplos comprimentos de onda avançou a ponto de nem precisarmos de um eclipse solar para medir a curvatura relativística da luz; interferometria de linha de base muito longa, usando ondas de rádio, pode medir a curvatura de fontes distantes ao longo do ano. Os resultados são incríveis e definitivos, e podem medir deflexões de até um milésimo de segundo de arco.
Observações VLBI de uma fonte de rádio distante, localizada fisicamente na posição (0,0) no gráfico acima, mostra como sua posição aparente se desvia ao longo do ano devido aos efeitos relativísticos da curvatura do espaço em nosso Sistema Solar. Crédito da imagem: O. Titov & A. Girdiuk, arXiv:1502.07395v2.
O eclipse solar que chega aos Estados Unidos em 21 de agosto de 2017, dar um show espetacular em mais de uma dúzia de estados, onde se espera que dezenas de milhões de pessoas afluam para experimentar a totalidade. Durante aqueles momentos em que o Sol é obscurecido pela Lua, se o céu estiver claro, olhe para perto do Sol, logo após a borda da coroa visível. Você verá uma pontinha de luz a pouco mais de 1° da borda da Lua; essa é a 21ª estrela mais brilhante de todas, Regulus, que simplesmente está tão perto do Sol agora.
Durante o eclipse solar de 21 de agosto de 2017, a brilhante estrela Regulus estará a apenas 1° de distância do membro do Sol. Como resultado, sua luz será levemente desviada, devido à curvatura do espaço pela gravidade do Sol. Crédito da imagem: E. Siegel / Stellarium.
Quando você vê-lo, saiba que sua luz é desviada por apenas uma pequena quantidade de sua verdadeira posição pela gravidade do Sol, e que uma medição precisa o suficiente poderia provar mais uma vez que Einstein estava certo e Newton errado. Se esquecêssemos tudo o que sabíamos sobre ciência hoje, poderíamos descobrir tudo de novo, do zero, amanhã. Em 21 de agosto, você terá um vislumbre de uma das maiores verdades cósmicas já descobertas pela humanidade. Não perca.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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