“O Universo, do Big-Bang aos Buracos Negros”

O que é espantoso é que as ideias de Einstein ofereceram o enquadramento teórico às descobertas que astrónomos e astrofísicos fizeram sobre a estrutura e constituição do universo ao longo do século XX, ilustrando os caminhos complexos da ciência e as suas incríveis revelações.

 

 

Este livro trata do início e da evolução do Universo, desde o reconhecimento da existência de muitas galáxias às noções de expansão do Universo e dos seus constituintes exóticos, entre os quais se encontram os buracos negros, a matéria escura e a energia escura. Comecemos por acentuar que o facto mais imprevisível, e à posteriori o mais fascinante, foi a verificação da expansão do universo a partir do Big Bang, que se iniciou há cerca de 13,77 mil milhões de anos. Porém, até certo ponto, trata-se de um facto algo inesperado, pois posteriormente, após um período inicial de desaceleração, o universo tem vindo a acelerar a sua expansão a partir dos últimos cinco milhares de milhões de anos.

Para ter uma ideia dos temas que são tratados no livro, é necessário recorrer a algumas ideias básicas que podemos apresentar com maior clareza socorrendo-nos de alguns textos que tiveram origem na investigação de Albert Einstein nos anos 20 do século passado, posteriormente aprofundadas durante os anos 60, por cosmólogos e astrofísicos e prosseguida até aos nossos dias.

Recordemos que embora a teoria da relatividade restrita (TRR) tenha estendido a relatividade do movimento às leis do electromagnetismo, tendo levado Einstein a formular um Princípio da Relatividade que estabelece uma equivalência entre os observadores inerciais (com velocidade constante) para todas as leis físicas, a nova teoria não é compatível com a lei de Newton da gravitação. Segundo esta lei, se a distribuição de matéria mudasse numa certa região do espaço, o campo gravítico mudaria instantaneamente em qualquer outra parte do universo.

A ser verdade, isso implicaria a possibilidade de enviar sinais instantâneos e exigiria um tempo absoluto, em contradição com a TRR. Einstein estava ciente deste problema quando, no Outono de 1907, Johannes Stark lhe pediu para contribuir com um artigo de revisão sobre o princípio da relatividade para o seu “Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik”.

Por essa altura, Einstein começava a ficar insatisfeito com a limitação da relatividade aos movimentos inerciais e ansiava alargá-la aos observadores acelerados. Nessa época, quando ainda trabalhava na Repartição de Patentes de Berna, teve “o pensamento mais feliz” da sua vida, como revelou ao seu colega e amigo Michele Besso. A igualdade entre a massa inercial, responsável pela inércia dos corpos, e a massa gravitacional, que transmite a força da gravidade, só poderia ser uma indicação de uma conexão íntima entre inércia e gravidade. Um astronauta numa nave espacial fechada não é capaz de distinguir se está em repouso num campo gravítico ou se está acelerado no espaço livre. A esta relação entre movimento acelerado e gravidade, Einstein chamou Princípio da Equivalência (PE).

Mais tarde haveria de descrever esse momento prodigioso na sua lição na Universidade de Quioto, no Japão, em 1922: “De repente, um pensamento assaltou-me: se uma pessoa cai em queda livre não sente o seu próprio peso. Fiquei abismado. Este simples pensamento provocou-me uma profunda impressão. Impeliu-me para uma nova teoria da gravitação.”

Com base neste princípio acreditou que seria capaz de construir uma teoria para substituir a teoria da gravidade de Newton, e ligou imediatamente o problema da gravidade ao problema da generalização (do princípio) da relatividade a todos os observadores. É nesse artigo de 1907 que Einstein publica pela primeira vez as suas reflexões sobre a relação entre o princípio da relatividade e a gravitação. Mas só volta a pensar nestes problemas em 1911, já como professor catedrático de Física Teórica na Universidade de Praga.

Tanto o espaço euclidiano como o espaço-tempo da relatividade restrita são espaços planos. Ao procurar compatibilizar a interação gravítica com as ideias da relatividade restrita, Einstein é levado a renunciar ao espaço-tempo plano. O seu raciocínio foi o seguinte: na presença de um campo gravítico é necessário incluir todos os tipos de movimentos e não apenas os movimentos uniformes. É, pois, necessário generalizar o princípio da relatividade a todos os observadores de um campo gravítico. Como proceder?

Sigamos o pensamento de Einstein. A interação gravítica tem uma natureza única entre todas as forças: a queda dos corpos é independente da sua massa ou da sua constituição. Isto sugere que a gravidade não é realmente uma força, mas uma propriedade geométrica do espaço(-tempo). É aqui que surge a ideia revolucionária de Einstein: os observadores em queda livre num campo gravítico identificam-se com os observadores inerciais da TRR no que diz respeito às suas observações locais. Mas, ao contrário da TRR, dois observadores em queda livre não mantêm uma velocidade uniforme entre si devido aos efeitos não locais do campo gravítico. Realmente, dois corpos em queda livre à superfície da Terra não descrevem trajetórias exatamente paralelas, pois essas trajetórias convergem para o centro de massa da Terra, embora, a uma escala local, as trajetórias sejam quase paralelas, quando observadas num pequeno intervalo de tempo.

Para justificar estas diferenças, Einstein identifica a gravidade com uma modificação em relação à geometria euclidiana: a gravidade produz uma curvatura no espaço-tempo. As trajetórias dos corpos em queda livre serão as geodésicas, ou seja, as menores distâncias que unem dois pontos deste espaço-tempo curvo. Mas agora as geodésicas já não são linhas rectas, como eram no espaço plano, mas sim as linhas “mais direitas” que o espaço-tempo curvo admite. Por exemplo, na superfície de uma esfera as geodésicas são os círculos máximos: os meridianos e o equador.

É interessante seguir o caminho que levou Einstein a considerar geometrias não euclidianas. Em particular, examinou a situação de um observador num disco a rodar em torno de um eixo que passa pelo centro. Apelando ao Princípio da Equivalência (PE), observou que o observador em rotação com o disco podia considerar-se em repouso e, como tal, atribuir a força centrífuga devida à aceleração centrípeta à existência de um campo gravitacional centrífugo. Formulou em seguida a questão: qual a razão entre o perímetro do disco e o seu raio para um observador ligado ao disco e para um outro observador inercial próximo a ver o disco a rodar?

O observador inercial dará a resposta da geometria euclidiana e dirá que é 2π; mas o observador em rotação, solidário com o disco, para quem as réguas colocadas ao longo da circunferência do disco estão contraídas no sentido do movimento, dirá que a razão é maior do que 2π, visto que o raio do disco fica inalterado e são necessárias mais réguas para perfazer o perímetro do disco. Isto significa que, para esse observador, a geometria espacial do disco em rotação não é euclidiana.

Einstein é assim levado a pensar que para um observador num campo gravitacional, de acordo com o PE, a geometria espacial também não deverá, em geral, ser euclidiana. A análise deste problema deve ter contribuído decisivamente para a ideia de representar a gravidade pela curvatura do espaço-tempo.

Ao voltar a Zurique em 1912, como professor de Física Teórica na Politécnica, Einstein mergulha profundamente no estudo das geometrias dos espaços curvos com a ajuda do seu antigo colega, agora diretor da faculdade, Marcel Grossmann. Em 1913, Einstein e Grossmann escrevem um artigo no qual avançam uma ideia simples: o que nós pensamos serem as forças gravíticas não é outra coisa senão a expressão da curvatura do espaço-tempo. Mas Einstein e Grossmann não conseguiram encontrar as verdadeiras equações que relacionam a curvatura do espaço-tempo com a massa-energia que nele existe.

Einstein continuou a trabalhar neste problema quando foi para a Universidade de Berlim, em 1914, a convite de Max Planck. Ao descrever o campo gravítico através da curvatura do espaço-tempo, a Teoria da Relatividade Geral (TRG) transformou o espaço-tempo num participante ativo na dinâmica do cosmos. Finalmente, em Novembro de 1915, Einstein chegou às equações do campo gravítico e mostrou como a partir delas se pode explicar o avanço do periélio de Mercúrio.

Os dez anos seguintes foram anos de recepção, afirmação e sucesso da teoria. Em 1918 surgiram os primeiros dois livros dedicados à TRG, um em Londres, por Arthur S. Eddington (1882-1944), e outro em Berlim, por Herman Weyl (1855-1955). A 29 de Maio de 1919, o encurvamento dos raios luminosos rasando o Sol foi medido na ilha do Príncipe e no Sobral (Brasil) durante um eclipse solar, graças ao zelo de Eddington e do Astrónomo Real britânico Sir Frank Watson Dyson (1868-1939).

As previsões da teoria de Einstein foram publicamente confirmadas no famoso encontro da Royal Society em Londres a 6 de Novembro de 1919, em reunião conjunta com a Royal Astronomical Society, sob a presidência do patriarca da física J.J. Thomson. No dia seguinte, no cabeçalho do jornal londrino “The Times” lia-se: “Revolução na Ciência/ Nova Teoria do Universo/Ideias Newtonianas Abandonadas.” A Primeira Guerra Mundial tinha terminado. O mundo estava cansado e desiludido e à procura de novos ideais. A teoria de Einstein, com as suas ideias bizarras sobre a curvatura do espaço(-tempo), captou a imaginação da opinião pública, embora muito poucas pessoas a compreendessem.

Apareceram então inúmeros artigos de divulgação em jornais e em revistas filosóficas que entusiasmaram o público culto e tornaram a relatividade um tema de conversação obrigatório. O próprio Einstein escreveu um longo artigo no “The Times” em finais de 1919, procurando explicá-la aos leigos. Na capa da revista noticiosa “Berliner Illustrirte Zeitung” de 14 de Dezembro de 1919 a sua fotografia é publicada com a legenda: “Uma nova grande figura da história mundial.”

Einstein torna-se então um pensador célebre em todo o mundo e a sua opinião é solicitada para os mais diversos assuntos. Os Estados Unidos recebem-no com pompa e circunstância em 1921, e o seu nome passa a ser pronunciado com reverência, acabando por se tornar sinónimo de génio. Nem todos, porém, aplaudiram o triunfo de Einstein. Alguns membros da comunidade científica, e outras pessoas impelidas por razões políticas, movem-lhe uma guerra sem quartel, considerando a sua teoria totalmente incompreensível e inútil.

O que é espantoso é que as ideias de Einstein ofereceram o enquadramento teórico às descobertas que astrónomos e astrofísicos fizeram sobre a estrutura e constituição do universo ao longo do século XX, ilustrando os caminhos complexos da ciência e as suas incríveis revelações. São estes caminhos que o leitor destas palavras poderá percorrer ao ler o livro “O Universo, do Big Bang aos Buracos Negros”.

Paulo Crawford assina este texto no âmbito da parceria entre o Jornal Económico e a Fundação Francisco Manuel dos Santos (FFMS), na qualidade de autor de “O Universo, do Big Bang aos Buracos Negros”, editado pela FFMS.

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