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in “As Artes entre as Letras”, março de 2016, revisto

Um dos pontos altos de 2005 Ano Internacional da Luz foi a passagem em 25 de novembro dos cem anos da teoria da relatividade geral de Albert Einstein, a teoria que tão bem descreve a força de atração que todos os corpos, mas com mais intensidade os astros por terem massa maior, exercem entre si.

As ideias de Einstein diferiam bastante daquelas que Isaac Newton tinha avançado no século XVII. Para Newton o espaço e o tempo eram universais e estavam separados: eles eram os cenários onde ocorriam as forças de atração gravitacional, descrita por uma fórmula simples: um corpo atrai um outro na razão direta das suas massas e na razão inversa do quadrado da distância entre eles. Sobre a natureza dessa força, Newton não fez hipóteses. Por seu lado, para Einstein o espaço e o tempo estavam relacionados. Em vez de existir um espaço absoluto e um tempo absolutos, idênticos para todos os observadores, o espaço e o tempo eram relativos, pois as suas medidas diferiam para dois observadores em movimento relativo. Mas já o espaço-tempo, uma entidade a quatro dimensões, possuía uma característica universal: uma certa combinação de medidas de espaço e de tempo era a mesma para todos os observadores. O movimento é relativo, mas a palavra “relatividade” engana pois no espaço-tempo existe um invariante, isto é, uma grandeza igual para todos os observadores. Este é um resultado da teoria da relatividade restrita, formulada por Einstein em 1905. Porém, na teoria da relatividade geral de 1915, o espaço-tempo é moldado pela matéria e pela energia (de facto, no quadro da relatividade restrita, matéria e energia estão intimamente associadas). E a força da gravidade mais não era do que a deformação do espaço-tempo causada pela presença de uma massa. A matemática era mais complicada do que a de Newton, mas para Einstein a natureza da força gravitacional ficou clara: ela vinha da curvatura do espaço e do tempo em redor de qualquer massa. A teoria de Newton não estava completamente errada, mas a sua validade estava confinada ao domínio de pequenas massas. A observação dos céus revelou que, no domínio das grandes massas, Einstein estava certo e Newton errado: a mais famosa delas foi a que se realizou de um eclipse solar em 29 de maio de 1919 na ilha do Príncipe, então território colonial português.

Einstein conjeturou num artigo publicado em 22 de junho de 1916 que poderiam existir ondas gravitacionais, semelhantes às ondas eletromagnéticas, ou simplesmente luz, que já se conheciam desde o século XIX. Uma oscilação de uma massa produzia um abanar da geometria do espaço-tempo que se propagaria à distância. Para o efeito ser apreciável era preciso que essa massa fosse extremamente grande. Einstein não acreditou plenamente na realidade das suas ondas gravitacionais. Ao longo de vários anos voltaria a esse tema, procurando ultrapassar as suas dúvidas. Faleceu em 1955 sem ter a certeza da existência de tais ondas. Após a morte de Einstein elas voltaram a ganhar a atenção dos físicos, tendo sido propostas engenhosas experiências para as detetar.

No mesmo ano de 1916, o físico alemão Karl Schwarzschild avançou com a ideia de um corpo extremamente maciço, que deformaria o espaço-tempo à sua volta de tal modo que se poderia dizer que o espaço e o tempo acabariam aí. Esta ideia não era inteiramente original pois já John Michell e Pierre-Simon Laplace tinham, no século das Luzes, imaginado astros com uma massa tão grande que atrairiam tudo em seu redor, incluindo a própria luz. No início do século XX, pouca gente acreditou nos buracos negros. Eles pareciam ainda mais incríveis do que as ondas gravitacionais. No entanto, na segunda metade do século XX, não só com o desenvolvimento dos cálculos baseados na teoria da relatividade geral mas também e sobretudo com o acumular de observações astrofísicas, os buracos negros (nome sem dúvida curioso, mas ilusório pois não se trata de um buraco mas de um corpo celeste muito denso) ganharam foros de veracidade. Hoje está catalogado um bom número deles, com base em observação indireta da matéria que cai no buraco.

No passado dia 11 de fevereiro de 2016 os média de todo o mundo foram sacudidos pela notícia da descoberta das ondas gravitacionais. Elas tinham sido recolhidas no LIGO, Laser Interferomer Gravitational-Waves Observatory, em duas instalações muito parecidas no noroeste e no sul dos Estados Unidos, à distância de 3000 quilómetros uma da outra. As duas instalações completam-se uma à outra pois as ondas vindas do espaço longínquo eram extremamente ténues, tendo de existir a certeza de que a perturbação encontrada em qualquer um dos dispositivos não era devida a qualquer causa próxima à superfície da Terra. Qual era então a origem dessas ondas, um silvo temporário semelhante ao chilro de uma ave, que se avolumou, antes de findar abruptamente? Os físicos efetuaram uma quantidade impressionante de cálculos, em poderosos computadores, para resolverem as equações de Einstein que descrevem as ondas gravitacionais. E o resultado mais provável, no nosso estado atual do conhecimento, era que o silvo “ouvido” era causado por uma colisão violentíssima de dois enormes buracos negros, cada um com cerca de 30 massas solares, que circulavam em órbita um do outro, e que acabaram numa fração de segundo por se fundir graças à terrível força gravitacional. No final ficou um só buraco negro com pouco menos do dobro da massa de casa um deles, pois a diferença de massa se tinha convertido em energia, emitida sob a forma de ondas gravitacionais. A observação destas ondas na Terra, a mais de mil milhões de anos-luz de distância, é uma das proezas mais notáveis da ciência contemporânea, mostrando um conluio perfeito entre teoria e experiência, entre matemática e instrumentação.

Há várias conclusões importantes a retirar desta deteção de ondas gravitacionais provenientes da colisão de dois buracos negros. Uma é que se trata da primeira deteção das ondas previstas por Einstein, corroborando mais uma vez o génio do grande físico. Outras deteções se vão decerto seguir, inaugurando uma nova era na astrofísica, uma era na qual, para além da luz, podemos recorrer a esta espécie de “som” para conhecer o Universo. Mas uma outra conclusão é que passámos a ter informação direta e não apenas indireta da existência de buracos negros, tendo verificado que havia buracos negros com uma gama de massas bem diferente da conhecida até agora. A ciência de Einstein foi confirmada, mas há nova ciência no horizonte.

 

Carlos Fiolhais
tcarlos@uc.pt