No último dia 14 de março, comemoramos o 135º aniversário de Albert
Einstein (1879-1955), um dos maiores cientistas de todos os tempos.
Eleito pela revista
Times como o homem do século 20, suas
contribuições para a ciência revolucionaram nossa visão sobre a natureza
da luz, do tempo, do espaço, da gravidade, da matéria e da energia,
entre outras contribuições fundamentais.
Um grupo de pesquisadores obteve pela primeira vez evidências de ondas gravitacionais produzidas
pelo evento do Big Bang, que seria responsável pela criação do nosso
universo
Falar sobre as teorias de Einstein pode até ser um assunto
recorrente; diversas vezes as abordamos nesta coluna. Contudo, no dia 17
de março passado, talvez por um capricho do destino ou algo talvez
pensado, Einstein ganhou um presente especial. Um grupo de pesquisadores
do radiotelescópio BICEP2, situado no polo Sul, obteve pela primeira
vez evidências de ondas gravitacionais produzidas pelo evento do Big
Bang, que seria responsável pela criação do nosso universo.
Essas ondas
gravitacionais estariam associadas à rápida expansão do universo em seus
instantes iniciais.
As ondas gravitacionais são ondulações no espaço e tempo previstas
pela Teoria da Relatividade Geral (TRG). Nessa teoria, de 1915, Einstein
propôs uma nova teoria da gravitação, de modo a generalizar a chamada
Teoria da Relatividade Especial (TRE), proposta por ele mesmo em 1905.
A TRE baseia-se em dois princípios fundamentais: i) as leis físicas
são as mesmas em todos os referenciais iniciais, isto é, referenciais
que estão em repouso ou em movimento uniforme (sem aceleração) entre si;
ii) a luz se propaga no espaço vazio com uma velocidade definida, que
independe da condição de movimento do corpo emissor. Tais princípios
levaram a mudanças radicais na forma de se entender a natureza do espaço
e do tempo.
- O telescópio BICEP2,
situado no polo Sul, permitiu que os cientistas tivessem evidências do
Big Bang, ao detectar ondas gravitacionais dispersas no espaço desde que
o universo começou a se expandir. (foto: Steffen Richter/ Harvard
University)
Na mecânica clássica, tanto o espaço como o tempo são absolutos, mas
na TRE eles se tornaram relativos, uma vez que há uma velocidade
absoluta e limite para todos os fenômenos. Na concepção aceita na época,
o espaço e o tempo são como o palco de um espetáculo, que não se altera
com a dinâmica da estória.
Para Einstein, eles se transformaram em protagonistas importantes,
que se modificam de acordo com a situação. Dessa forma, tanto o tempo
como o espaço são relativos ao observador. Quanto mais próximo da
velocidade da luz ele se move, mais devagar o tempo passa, e o
comprimento do objeto se comprime na direção do movimento (mais detalhes
na coluna ‘
Cada vez mais rápido, sem espaço e tempo’).
Aceleração e gravidade
Mas, como o próprio Einstein percebeu, essa teoria só poderia ser
aplicada a referenciais inerciais e não a referenciais em movimento
acelerado. Mas o que aceleração tem a ver com gravidade?
Quando viajamos de pé em um ônibus e este faz uma curva fechada para a
direita, sentimos uma ‘força’ que nos impulsiona para a esquerda, a
força centrífuga. Contudo, uma pessoa que estivesse na calçada
descreveria a situação de modo diferente. Para ela, o ônibus mudou sua
trajetória e você continuou a se movimentar em linha reta, como prevê a
lei da inércia. Para esse observador, nenhuma força atua sobre você;
apenas a ação da tendência de todos os corpos manterem seu estado de
movimento. Quem está correto?
Segundo a TRG, ambas as descrições estão corretas (para mais detalhes, veja a coluna ‘
O enigma do movimento’).
De fato, para a pessoa que está no ônibus, qual é a natureza da força
que age sobre ela? Uma força que atua diretamente na matéria, ou seja,
como se fosse uma força gravitacional. A partir disso, Einstein começou a
relacionar a origem da inércia com a própria natureza da gravidade.
Ao formular a TRG, Einstein propôs que o campo gravitacional é criado
a partir da ‘curvatura do espaço e do tempo’ provocada pela presença da
massa e da energia. Para compreender isso, imaginemos que o espaço
fosse algo parecido com uma tolha esticada, apoiada pelas pontas. Se não
há nada sobre a toalha, ela permanecerá esticada e plana.
A Teoria da Relatividade Geral prevê que os movimentos orbitais perdem energia por meio de ondas
gravitacionais. Mas como a gravidade é a mais fraca das forças
fundamentais, o efeito é imperceptível
Mas, se colocarmos um objeto sobre ela, como uma bola de boliche (que
fará o papel de uma estrela), ela afundará e curvará a toalha. Agora,
se lançarmos uma bola de gude com determinada velocidade e direção, ela
descreverá sobre a toalha uma trajetória quase circular ao redor da
depressão provocada pela bola de boliche, de modo similar ao que um
planeta realiza ao redor de uma estrela. Após algum tempo, a bola de
gude começa a perder velocidade, devido ao atrito com a toalha, e cairá
na direção do centro. No caso dos planetas, como eles viajam no espaço
vazio, não há atrito e, portanto, não perdem velocidade.
Contudo, a TRG prevê que os movimentos orbitais perdem energia por
meio de ondas gravitacionais. Mas como a gravidade é a mais fraca das
forças fundamentais (quando comparada com a força elétrica, é um fator
10
40 vezes mais fraca), o efeito é imperceptível.
Observou-se, no entanto, em duplas de pulsares (estrelas de nêutrons de
massa elevada), um decaimento orbital que estaria associado a essa
missão de ondas gravitacionais. Por essa descoberta, os americanos
Russell A. Hulse e Joseph H. Taylor, Jr. ganharam o Nobel de Física em
1993.
Universo inflacionário
A descoberta feita pelo grupo de pesquisadores do radiotelescópio
BICEP2 vai além da observação dos efeitos das ondas gravitacionais. De
fato eles observaram que a radiação de fundo cósmico, uma espécie de
‘cinzas’ do Big Bang (radiação remanescente quando o universo tinha por
volta de 380 mil anos), demonstra que, após esse evento, o universo
apresentou enorme expansão, como previsto pelo físico americano Allan
Guth.
O modelo conhecido como ‘universo inflacionário’, proposto por esse
pesquisador, supõe que o universo teve uma expansão extraordinária em um
intervalo de tempo de um trilionésimo de segundo. Nessa ínfima fração
de tempo, ele cresceu do tamanho de uma partícula subatômica para o
tamanho de algumas dezenas de centímetros.
- Esquema artístico
(realçado com imagens do satélite WMAP) da expansão do universo, em que o
espaço é representado em seções circulares. (imagem: NASA/ WMAP Science
Team)
Para detectar o fenômeno, observou-se que a radiação de fundo cósmico
apresentava flutuações conforme os efeitos que se esperava que as ondas
gravitacionais produzissem. De fato, essa radiação está presente em
todos os lugares. Por exemplo, quando tentamos sintonizar um aparelho de
televisão em um canal sem sinal, alguns chuviscos que aparecem na tela
decorrem dessa radiação, cujo comprimento é da ordem de micro-ondas.
A inflação cósmica é uma peça importante para se entender por que o
universo se estabeleceu da maneira que observamos. O resultado do
experimento do BICEP2 necessita ser confirmado por outros experimentos,
como os desenvolvidos pelo satélite Planck, especialmente lançado ao
espaço para detectar essas flutuações esperadas na radiação de fundo
cósmico. Os resultados atuais são promissores, mas, como toda descoberta
científica importante, requerem confirmação.
A inflação cósmica é uma peça importante para se entender por que o universo se estabeleceu da maneira que observamos
A importância da descoberta recém-apresentada é que, além de se ter
conseguido detectar pela primeira vez a inflação cósmica, tem-se também a
mais forte evidência de que o Big Bang, evento contestado por outras
teorias, teria de fato acontecido. A ocorrência da inflação cósmica, um
evento em escala muito pequena, que está no reino da física quântica,
mostra que há interações quânticas na força gravitacional.
Se Einstein estivesse vivo, acho que ele daria um leve sorriso,
sabendo que mais uma vez sua maior criação, a Teoria da Relatividade
Geral, continua sendo um sólido pilar da física atual e ajuda a entender
uma das maiores perguntas da humanidade: afinal, como foi que tudo
começou?
Adilson de OliveiraDepartamento de Física
Universidade Federal de São Carlos
