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Teoria da Relatividade Geral, de Einstein, completa 100 anos

Há um século, Albert Einstein publicava as equações que estendiam a relatividade às leis da gravitação; em vez de ser uma "força", gravidade passou a ser um reflexo da curvatura do espaço-tempo

Fábio de Castro, O Estado de S. Paulo

25 Novembro 2015 | 14h45

Há exatos 100 anos, o alemão Albert Einstein (1879-1955) publicava um de seus mais importantes artigos, lançando as bases da Teoria da Relatividade Geral. Ao descrever uma nova nova concepção do que é a gravidade, suas equações revolucionaram a Física, mudando a forma como o Universo é explicado pela ciência. Mais tarde, essas descobertas permitiram avanços que vão desde a compreensão dos buracos negros até a invenção do GPS. 

Dez anos antes, Einstein já havia reconstruído os alicerces da Física com a Teoria da Relatividade Especial, que unificava as ideias de espaço e de tempo e revelava a equivalência entre matéria e energia. A nova teoria generalizava as consequências da Relatividade Especial, estendendo-as às leis da gravitação.

A partir de 25 de novembro de 1915, quando o artigo "As Equações de Campo da Gravitação" foi apresentado à Academia Prussiana de Ciências, a gravidade deixou de ser vista como uma força de atração entre os corpos e passou a ser compreendida como uma consequência da "deformação no espaço-tempo" provocada pelas massas dos objetos com massa. Nascia um Universo totalmente diferente.

Os conceitos da Relatividade Geral foram desenvolvidos em uma série de artigos publicados por Einstein ao longo de oito anos, a partir de 1907. Mas as equações que permitiam fazer os cálculos demonstrando a "nova gravidade" só foram publicadas no artigo de novembro 1915. 

De acordo com o físico George Matsas, do Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em 1905, a Teoria da Relatividade Especial já havia transformado profundamente os conceitos de espaço e tempo postulados por Galileu Galilei (1564-1642). 

Independentes entre si, o espaço e o tempo eram conceitos absolutos, para Galileu. "O que a Relatividade Especial nos mostra é que o espaço-tempo de nossa natureza de fato não é o de Galileu. Na concepção de Galileu, se dois eventos são simultâneos para um determinado observador, eles serão simultâneos para qualquer observador do Universo", afirmou . 

O mesmo não ocorre na teoria de Einstein. Para ele, os dois conceitos se fundem em um só - o espaço-tempo - que passa a ser o pano de fundo onde atuam os protagonistas do Universo: planetas, estrelas, galáxias e assim por diante. Nesse cenário, não há tempo sem espaço, nem espaço sem tempo.

"Toda teoria física é definida sobre um pano de fundo - o espaço-tempo. Se você o modifica, como fez Einstein, as teorias têm que ser sensíveis a isso. Todas as teorias físicas construídas até 1905 levavam em conta o espaço e o tempo de Galileu", explico Matsas.

A ideia de espaço-tempo de Einstein, segundo Matsas, não era compatível com a teoria da gravitação de Isaac Newton (1643-1727), que tinha seus fundamentos nas concepções de espaço e tempo de Galileu. Para Newton, a gravidade é uma força que atrai os corpos entre si. Quanto maior as massas, maior é a força e quanto maior a distância entre os corpos, menor é a força.

Espaço-tempo elástico. Para estender sua teoria da relatividade à gravidade, Einstein optou por um caminho surpreendente. Em vez de modificar a teoria, ele reformulou próprio conceito de espaço-tempo que havia proposto em 1905, tornando-o mais avançado. A partir de 1915, o espaço-tempo que se tornou "elástico".

"A Relatividade Geral introduz duas ideias essenciais. A primeira é que o espaço-tempo é elástico, no seguinte sentido: a matéria e a energia o transformam, curvando-o. A segunda é que a gravidade nada mais é que um reflexo dessa curvatura do espaço-tempo nos objetos", declarou Matsas.

Para Newton, a Terra gira em torno do Sol porque a grande massa solar exerce uma força de atração, que puxa a Terra para sua órbita. Mas, para Einstein, não há força nenhuma sendo exercida. Um corpo em movimento no espaço apenas segue o caminho mais reto adiante. O espaço-tempo é curvado pela massa do Sol e, em um espaço-tempo curvo, o caminho mais reto é uma curva. "O que a Terra está fazendo ao orbitar o Sol é apenas procurar o caminho mais reto".

Segundo Matsas, a explicação genial de Einstein para a gravidade teve seu ponto de partida em 1907, quando ele concebeu o que chamaria mais tarde de "a ideia mais feliz da minha vida". Ocorreu ao físico que uma pessoa em queda livre não sentiria o próprio peso. 

Assim, dentro de uma cápsula em queda livre, uma pessoa se veria flutuando - e se tirasse um objeto do bolso, o veria flutuar ao seu lado. A ideia pode ser invertida: se uma pessoa estivesse em uma cápsula no vácuo e essa cápsula fosse puxada de forma acelerada na direção acima de sua cabeça, ela sentiria os pés pressionados contra o chão e um objeto tirado de seu bolso cairia no chão - exatamente como se houvesse gravidade. A conslusão de Einstein, a partir da ideia mais feliz de sua vida é que não há diferença entre os efeitos da gravidade e da aceleração.

"Ele percebeu que o ato de cair não tem relação com os corpos envolvidos, mas com o espaço-tempo ao seu redor", disse Matsas. O ato de cair, portanto, não ocorre por causa de nenhuma atração - como ocorre no caso de corpos que se atraem por terem cargas elétricas opostas. Dessa conclusão, Einstein depreendeu que a gravidade não é uma força que está nos corpos e sim uma consequência física de um espaço-tempo curvado. 

Velocidade e densidade. Então, a física de Newton foi totalmente superada? Não, ela continua sendo útil e aplicável, segundo Matsas. Para chegar à Lua, por exemplo, não foi preciso usar os conceitos e cálculos da Relatividade Geral. Em algumas situações, porém, considerar os efeitos da Relatividade Geral é essencial. "Uma dessas situações é quando a velocidade relativa é muito grande, como ocorre quando uma partícula viaja em velocidade próxima à da luz", explicou Matsas. 

Sem a Relatividade Geral também não seria possível estudar objetos extremamente compactos, como buracos negros e estrelas de nêutrons, que têm massas gigantescas e consequentemente campos gravitacionais extremamente intensos. 

De acordo com a Teoria da Relatividade Geral, Einstein previa que a trajetória da luz também seria curvada por campos gravitacionais poderosos. Essa previsão só foi confirmada em 1919, quando o astrônomo britânico Arthur Eddington organizou duas duas expedições simultâneas, uma para o Brasil - em Sobral (CE) - e para a África, na ilha de São Tomé e Príncipe. 

Nos dois locais, as equipes de Eddington observaram um eclipse solar - uma situação ideal para observar as estrelas no céu mesmo com a presença do Sol. Eles confirmaram que as estrelas que apareciam próximas ao Sol estavam deslocadas - provando que a curvatura do espaço-tempo provocada pelo Sol curvava também a luz das estrelas. A partir desse momento, Einstein se tornou uma celebridade mundialmente conhecida.

Previsões. A Teoria da Relatividade Geral também postulava que estrelas no fim de suas vidas deveriam entrar em colapso sob sua própria gravidade. Com isso, seu envelope externo poderia explodir em uma possante supernova, enquanto seu núcleo formaria um objeto extremamente denso - conhecido como estrela de nêutrons - ou um pulsar, objeto que gira muito rapidamente e emite sinais de rádio. Poderiam também formar um buraco negro, cujo campo gravitacional é tão forte que traga tudo à sua volta. Essas previsões foram confirmadas por observações posteriores. 

De acordo com Einstein, corpos celestiais com massas muito grandes também deveriam produzir ondas no espaço-tempo, de maneira semelhante às ondulações produzidas por uma pedra atirada na água. São as chamadas ondas gravitacionais, que os astrônomos esperam conseguir observar em breve. 

"Sabemos que as ondas garvitacionais estão lá, mas ainda não foram observadas diretamente. Isso deverá ser feito logo e com toda certeza renderá um Prêmio Nobel da Física", disse Matsas. O principal instrumento científico construído para detectar ondas gravitacionais é o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferometria a Laser (Ligo, na sigla em inglês), nos Estados Unidos.

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