• Começa Com Um Estrondo

Este quebra-cabeça trouxe físicos da relatividade especial à geral

Uma ilustração do espaço-tempo fortemente curvo para uma massa pontual, que corresponde ao cenário físico de estar localizado fora do horizonte de eventos de um buraco negro. À medida que você se aproxima cada vez mais da localização da massa no espaço-tempo, o espaço se torna mais severamente curvado, levando a um local de dentro do qual nem a luz pode escapar: o horizonte de eventos. O raio desse local é definido pela massa, carga e momento angular do buraco negro, a velocidade da luz e as leis da Relatividade Geral apenas. (USUÁRIO DO PIXABAY JOHNSONMARTIN)

Embora tenha sido o coroamento da carreira de Einstein, ele foi apenas uma pequena parte de toda a história.

Se você fosse um físico no início do século 20, não haveria falta de mistérios para você refletir. As ideias de Newton sobre o Universo – sobre óptica e luz, sobre movimento e mecânica e sobre gravitação – foram incrivelmente bem-sucedidas na maioria das circunstâncias, mas estavam enfrentando dúvidas e desafios como nunca antes.

Nos anos 1800, foi demonstrado que a luz tinha propriedades semelhantes a ondas: interferir e difratar. Mas também tinha propriedades semelhantes a partículas, pois podia espalhar e até transmitir energia aos elétrons; a luz não poderia ser o corpúsculo que Newton havia imaginado. A mecânica newtoniana quebrou em altas velocidades, pois a Relatividade Especial fez com que os comprimentos se contraíssem e o tempo se dilatasse perto da velocidade da luz. A gravitação foi o último pilar newtoniano que restava, e Einstein o destruiu em 1915, apresentando sua teoria da Relatividade Geral. Houve apenas um quebra-cabeça chave que nos trouxe até lá.

Em vez de uma grade tridimensional vazia, em branco, colocar uma massa para baixo faz com que o que seriam linhas 'retas' se tornem curvas por uma quantidade específica. Na Relatividade Geral, tratamos o espaço e o tempo como contínuos, mas todas as formas de energia, incluindo, mas não se limitando à massa, contribuem para a curvatura do espaço-tempo. Se substituíssemos a Terra por uma versão mais densa, até e incluindo uma singularidade, a deformação do espaço-tempo mostrada aqui seria idêntica; somente dentro da própria Terra a diferença seria notável. (CHRISTOPHER VITALE DAS REDES E O INSTITUTO PRATT)

Hoje, devido à teoria de Einstein, visualizamos o espaço-tempo como uma entidade unificada: um tecido quadridimensional que se curva devido à presença de matéria e energia. Esse fundo curvo é o palco sobre o qual todas as partículas, antipartículas e radiação no Universo devem viajar, e a curvatura do nosso espaço-tempo diz à matéria como se mover.

Esta é a grande ideia da Relatividade Geral e por que é uma ideia tão atualizada da Relatividade Especial. Sim, espaço e tempo ainda estão unidos em uma entidade unificada: o espaço-tempo. Sim, todas as partículas sem massa viajam à velocidade da luz em relação a todos os observadores, e todas as partículas massivas nunca podem atingir essa velocidade. Em vez disso, eles se movem pelo Universo vendo comprimentos contraídos, tempos dilatando e – em uma atualização da Relatividade Especial para Geral – vendo novos fenômenos gravitacionais que não apareceriam de outra forma.

As ondas gravitacionais se propagam em uma direção, expandindo e comprimindo alternadamente o espaço em direções mutuamente perpendiculares, definidas pela polarização da onda gravitacional. As próprias ondas gravitacionais, em uma teoria quântica da gravidade, deveriam ser feitas de quanta individuais do campo gravitacional: grávitons. Embora as ondas gravitacionais possam se espalhar uniformemente pelo espaço, a amplitude (que é de 1/r) é a quantidade chave para detectores, não a energia (que é de 1/r²). (M. PÖSSEL/EINSTEIN ONLINE)

Esses efeitos relativísticos, ao longo do século passado, apareceram em vários lugares espetaculares. Redshifts leves ou blueshifts à medida que se move para dentro ou para fora de um campo gravitacional, conforme detectado pela primeira vez pelo experimento Pound-Rebka. Ondas gravitacionais são emitidas sempre que duas massas se movem uma em relação à outra, um efeito previsto há 100 anos, mas detectado apenas nos últimos 4 anos pelo LIGO/Virgo.

A luz das estrelas se curva quando passa perto de uma fonte gravitacional massiva: um efeito visto em nosso Sistema Solar tão robusto quanto parece para galáxias distantes e aglomerados de galáxias. E, talvez o mais espetacular, a estrutura da Relatividade Geral prevê que o espaço será curvado de tal forma que eventos distantes podem ser vistos em vários locais em vários momentos diferentes. Usamos essa previsão para ver uma supernova explodir várias vezes na mesma galáxia, uma demonstração espetacular do poder não intuitivo da Relatividade Geral.

A imagem à esquerda mostra uma parte da observação de campo profundo do aglomerado de galáxias MACS J1149.5+2223 do programa Frontier Fields do Hubble. O círculo indica a posição prevista da mais recente aparição da supernova. No canto inferior direito, o evento cruzado de Einstein do final de 2014 é visível. A imagem no canto superior direito mostra observações do Hubble de outubro de 2015, feitas no início do programa de observação para detectar a mais recente aparição da supernova. A imagem no canto inferior direito mostra a descoberta da Supernova Refsdal em 11 de dezembro de 2015, conforme previsto por vários modelos diferentes. Ninguém pensou que o Hubble faria algo assim quando foi proposto pela primeira vez; isso mostra o poder contínuo de um observatório de primeira classe. (NASA & ESA E P. KELLY (UNIVERSIDADE DA CALIFÓRNIA, BERKELEY))

Os testes mencionados acima são apenas algumas das maneiras minuciosas pelas quais a Relatividade Geral foi investigada e estão longe de ser exaustivos. Mas a maioria das consequências observáveis ​​que surgem na Relatividade Geral só foram trabalhadas bem depois que a própria teoria tomou forma. Eles não poderiam ser usados ​​para motivar a formulação da Relatividade Geral em si, mas algo claramente o fez.

Se você fosse físico no início do século 20, poderia ter tido a oportunidade de derrotar Einstein. Em meados de 1800, ficou claro que algo estava errado com a órbita de Mercúrio: não estava seguindo o caminho que a gravidade newtoniana previu. Um problema semelhante com Urano levou à descoberta de Netuno, tantos esperavam que a órbita de Mercúrio não correspondendo às previsões de Newton significava que um novo planeta deveria estar presente: um interior à órbita de Mercúrio. A ideia era tão convincente que o planeta já estava pré-nomeado: Vulcano.

Depois de descobrir Netuno examinando as anomalias orbitais de Urano, o cientista Urbain Le Verrier voltou sua atenção para as anomalias orbitais de Mercúrio. Ele propôs um planeta interior, Vulcano, como explicação. Embora Vulcano não existisse, foram os cálculos de Le Verrier que ajudaram a levar Einstein à solução final: a Relatividade Geral. (USUÁRIO REYK DO WIKIMEDIA COMMONS)

Mas Vulcan não existe, como pesquisas exaustivas rapidamente determinaram. Se a gravidade newtoniana fosse perfeita – ou seja, se idealizamos o Universo – e o Sol e Mercúrio fossem os únicos objetos do Sistema Solar, então Mercúrio faria uma elipse perfeita e fechada em sua órbita ao redor do Sol.

Claro, o Universo não é ideal. Vemos o sistema Sol-Mercúrio da Terra, que se move em uma elipse, gira em seu eixo e vê esse precesso do eixo de rotação ao longo do tempo. Calcule esse efeito e você descobrirá que a forma do caminho orbital de Mercúrio não é mais uma elipse fechada, mas uma cujo afélio e periélio precessam a 5025 segundos de arco (onde 3600 segundos de arco é 1 grau) por século. Existem também muitos outros planetas no Sistema Solar que puxam o sistema Sol-Mercúrio. Se você calcular todas as suas contribuições, elas adicionam 532 segundos de arco por século de precessão.

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. (USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS KSMRQ)

Ao todo, isso leva a uma previsão teórica, na gravidade newtoniana, da precessão do periélio de Mercúrio em 5557 segundos de arco por século. Mas nossas observações muito boas nos mostraram que esse número estava um pouco fora, pois vimos uma precessão de 5600 segundos de arco por século. Esses 43 segundos de arco extras por século eram um mistério persistente, e o fracasso das pesquisas para encontrar um planeta no interior de Mercúrio aprofundou ainda mais o quebra-cabeça.

É fácil, em retrospectiva, apenas acenar com as mãos e afirmar que a Relatividade Geral fornece a resposta. Mas não era a única resposta possível. Poderíamos ter modificado ligeiramente a lei gravitacional de Newton para ser ligeiramente diferente de uma lei do inverso do quadrado, e isso poderia ser responsável pela precessão extra. Poderíamos ter exigido que o Sol fosse um esferóide oblato em vez de uma esfera, e isso poderia ter causado a precessão extra. Outras restrições observacionais descartaram esses cenários, no entanto, assim como descartaram o cenário de Vulcano.

Um aspecto revolucionário do movimento relativístico, proposto por Einstein, mas previamente construído por Lorentz, Fitzgerald e outros, é que objetos em movimento rápido pareciam se contrair no espaço e dilatar no tempo. Quanto mais rápido você se move em relação a alguém em repouso, mais seus comprimentos parecem ser contraídos, enquanto mais o tempo parece dilatar para o mundo exterior. Essa imagem, da mecânica relativista, substituiu a antiga visão newtoniana da mecânica clássica e pode explicar fenômenos como o tempo de vida de um múon de raio cósmico. (CURT RENHAW)

Mas, às vezes, o progresso teórico pode levar a um progresso teórico ainda mais profundo. Em 1905, a Relatividade Especial foi publicada, levando a um entendimento de que – em velocidades próximas da velocidade da luz – as distâncias parecem se contrair ao longo da direção do movimento e o tempo parece se dilatar para um observador se movendo em relação a outro. Em 1907/8, o ex-professor de Einstein, Hermann Minkowski, escreveu a primeira estrutura matemática que unificou o espaço (3D) e o tempo (1D) em um tecido de espaço-tempo de quatro dimensões.

Se isso era tudo o que você sabia, mas estava pensando no problema de Mercúrio, poderia ter uma percepção espetacular: que Mercúrio não é apenas o planeta mais próximo do Sol, mas também o planeta que se move mais rápido no Sistema Solar.

A velocidade com que os planetas giram em torno do Sol depende de sua distância do Sol. Netuno é o planeta mais lento do Sistema Solar, orbitando nosso Sol a apenas 5 km/s. Mercúrio, para comparação, gira em torno do Sol a aproximadamente 9 vezes a velocidade de Netuno. (NASA/JPL)

Com uma velocidade média de 47,36 km/s, Mercúrio se move muito devagar em comparação com a velocidade da luz: a 0,0158% da velocidade da luz no vácuo. No entanto, ele se move nessa velocidade implacavelmente, a cada momento de cada dia de cada ano de cada século. Embora os efeitos da Relatividade Especial possam ser pequenos em escalas de tempo experimentais típicas, observamos os planetas se moverem há séculos.

Einstein nunca pensou nisso; ele nunca pensou em calcular os efeitos relativísticos especiais do movimento rápido de Mercúrio ao redor do Sol e como isso poderia afetar a precessão de seu periélio. Mas outro cientista contemporâneo, Henri Poincaré, decidiu fazer o cálculo por conta própria. Quando ele considerou a contração do comprimento e a dilatação do tempo, ele descobriu que isso levava a aproximadamente outros 7 a 10 segundos de arco de precessão orbital por século.

A melhor maneira de ver Mercúrio é de um grande telescópio, pois dezenas de imagens empilhadas (esquerda, 1998 e centro, 2007) no infravermelho podem reconstruir, ou ir a Mercúrio e fotografá-lo diretamente (direita), como o Mensageiro missão fez em 2009. O menor planeta do Sistema Solar, sua proximidade com a Terra significa que sempre parece maior do que Netuno e Urano. (R. DANTOWITZ / S. TEARE / M. KOZUBAL)

Isso foi fascinante por dois motivos:

1. A contribuição para a precessão foi literalmente um passo na direção certa, respondendo por aproximadamente 20% da discrepância com um efeito que deve estar presente se o Universo obedecer à Relatividade Especial.
2. Mas essa contribuição, por si só, não é suficiente para explicar toda a discrepância.

Em outras palavras, fazer o cálculo da Relatividade Especial foi uma pista de que estamos no caminho certo, chegando mais perto da resposta. Mas mesmo assim, não é a resposta completa; isso exigiria outra coisa. Como Einstein supôs corretamente, outra coisa seria inventar uma teoria da gravitação que também incorporasse a Relatividade Especial. Foi pensando nessa linha – e seguindo os complementos que Minkowski e Poincaré contribuíram – que Einstein finalmente conseguiu formular seu princípio de equivalência, que levou à teoria completa da Relatividade Geral.

O comportamento idêntico de uma bola caindo no chão em um foguete acelerado (esquerda) e na Terra (direita) é uma demonstração do princípio de equivalência de Einstein. Embora medir a aceleração em um único ponto não mostre diferença entre a aceleração gravitacional e outras formas de aceleração, medir vários pontos ao longo desse caminho mostraria uma diferença, devido ao gradiente gravitacional desigual do espaço-tempo circundante. Observar que a gravidade se comporta de forma indistinguível de qualquer outra aceleração foi a epifania que levou Einstein a unificar a gravidade com a Relatividade Especial. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS MARKUS POESSEL, RETOQUE POR PBROKS13)

Se nunca tivéssemos notado esse pequeno desvio do comportamento esperado de Mercúrio em relação ao comportamento observado, não haveria uma demanda observacional convincente para substituir a gravidade de Newton. Se Poincaré nunca tivesse feito o cálculo que demonstrou como a Relatividade Especial se aplica a esse problema orbital, talvez nunca tivéssemos chegado a essa dica crítica da solução para esse paradoxo que está na unificação da física dos objetos em movimento (relatividade) com nossa teoria da gravitação.

A percepção de que a gravitação era apenas outra forma de aceleração foi um tremendo benefício para a física, mas poderia não ter sido possível sem as dicas que levaram à grande epifania de Einstein. É uma grande lição para todos nós, ainda hoje: quando você vê uma discrepância nos dados do que você espera, pode ser um prenúncio de uma revolução científica. Devemos manter a mente aberta, mas somente através da interação de previsões teóricas com resultados experimentais e observacionais podemos esperar dar o próximo grande salto em nossa compreensão deste Universo.

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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