Por que a Relatividade Geral é Verdadeira: as Evidências da Teoria de Einstein

Por Paul Sutter, astrofísico.

Via: Space

Tradução e adaptação: Felipe Sérvulo.

Todos nós conhecemos e amamos a teoria da gravidade preferida no mundo: a relatividade geral (RG), elaborada pelo próprio Albert Einstein em um feito magnífico que levou sete anos para ser concluído e forneceu percepções surpreendentes sobre de como o mundo funciona.

É bastante fácil afirmar a essência básica da teoria em algumas afirmações concisas: "A matéria e a energia dizem ao espaço-tempo como se dobrar, e a curvatura do espaço-tempo diz à matéria como se mover". Mas a mecânica atual tem 10 grandes equações para descrever, cada uma delas muito difícil e altamente interconectada com as outras. 

Como bons céticos, não devemos imediatamente acreditar neste emaranhado de matemática à primeira vista, mesmo que isso venha do cérebro de ninguém menos que Einstein. Em vez disso, precisamos de provas. Boas evidências.

Um mensageiro divino

De todas as características de sua nova teoria, Einstein se orgulhava de sua capacidade de explicar os detalhes da órbita de Mercúrio. Aquele planeta mais interno tem uma órbita levemente elíptica, e essa elipse gira tão lentamente ao redor do sol. Em outras palavras, o lugar onde Mercúrio está mais distante do sol muda lentamente com o tempo.

Se você aplicar a gravidade newtoniana simples ao sistema sol-mercúrio, essa mudança ao longo do tempo, chamada de precessão, não aparece - a visão de Isaac Newton esta incompleta. Uma vez que você acrescente o gentil toque e ajuste gravitacional devido aos outros planetas, quase todas as precessões podem ser explicadas... No início dos anos 1900, essa era um problema bem conhecido na dinâmica do sistema solar, mas não causou muita controvérsia. A maioria das pessoas acabou adicionando-o à lista cada vez maior de "coisas um pouco estranhas que não podemos explicar sobre o Universo" e presumimos que encontraríamos uma solução mundana algum dia.

Mas Einstein não era a maioria das pessoas, e ele pensou que Mercúrio estava lhe dando uma pista. Quando, após anos de tentativas, ele foi capaz de flexionar seus músculos relativísticos gerais e explicar precisamente as esquisitices orbitais de Mercúrio, ele sabia que finalmente havia decifrado o código gravitacional.

A flexão da Luz

Antes de Einstein dar os toques finais na grande RG, ele chegou a algumas percepções surpreendentes sobre a natureza da gravidade. Se você está isolado em um foguete que acelera em um 1g suave e constante - fornecendo a mesma aceleração que a gravidade da Terra - tudo em seu laboratório se comportará exatamente como seria na superfície do planeta, raciocinou Einstein. Objetos caem no chão na mesma velocidade que na Terra; seus pés ficarão firmemente plantados no chão, etc.

Esta equivalência entre gravidade (como experimentado na Terra) e aceleração (como experimentado no foguete) impulsionou (trocadilho) Einstein a avançar no desenvolvimento de sua teoria. Mas, oculta nesse cenário, estava uma visão surpreendente. Imagine um feixe de luz entrando em uma janela no lado esquerdo da espaçonave. No momento em que a luz atravessa a espaçonave, onde ela sairia?

Da perspectiva de um observador externo, a resposta é óbvia. A luz viaja em uma linha perfeitamente reta, perpendicular ao caminho do foguete. Durante o tempo que a luz estava passando, o foguete avançou. A luz entraria então no foguete em uma janela - digamos, perto da ponta - e sairia perto do fundo, perto dos motores. 

De dentro da espaçonave, porém, as coisas pareceriam estranhas. Para que a luz entre em uma janela perto da ponta e saia perto dos motores, o caminho do feixe deve ser curvo. De fato, é exatamente isso que você vê.

E como a gravidade é exatamente igual à aceleração, a luz deve seguir caminhos curvos em torno de objetos massivos.

É difícil observar isso experimentalmente, porque você precisa de muita massa e alguma luz que passe perto da superfície para obter um efeito detectável. Mas o eclipse solar de 1919 provou ser a oportunidade certa, e uma expedição liderada por Sir Arthur Eddington duas equipes (uma em Sobral e outra na Ilha do Principe)  encontraram a mudança exata da luz estelar distante que a teoria nascente de Einstein previra. 

Saiba mais: O Eclipse em Sobral que Mudou a História da Física

Observando o vermelho

Outro resultado interessante surge de experimentos mentais criativos em torno da relatividade geral. Essa conclusão se baseia no bom e velho efeito Doppler, mas é aplicado a um cenário não familiar.

Se alguma coisa estiver se afastando de você, o som que ela produz ficará esticado, mudando para frequências mais baixas - esse é o efeito Doppler. O mesmo acontece com a luz: um carro se afastando de você parece cada vez mais vermelho do que seria se o veículo estivesse parado. (A luz mais vermelha, menor a frequência.) 

Policiais podem tirar proveito dessa mudança, jogando uma luz do seu carro para pegar você em alta velocidade. Da próxima vez que você for parado, você poderá aproveitar a oportunidade para refletir sobre a natureza da gravidade.

Então, se o movimento muda o comprimento de onda da luz, então a aceleração também pode: Um pouco de luz viajando do fundo para o topo de um foguete acelerador experimentará um redshift. E abaixo da RG, o que vale para aceleração é a gravidade. É isso mesmo: a luz emitida da superfície da Terra mudará para frequências mais vermelhas, quanto mais viajar.

Demorou algumas décadas para demonstrar conclusivamente essa previsão, porque o efeito é tão pequeno. Mas em 1959, Robert Pound e Glen Rebka propuseram, projetaram, construíram e executaram um experimento que lhes permitiu medir o desvio para o vermelho enquanto contavam algumas histórias pelo Laboratório Jefferson na Universidade de Harvard.

Nunca pare de testar

Mesmo com todas essas evidências, continuamos a colocar a relatividade geral à prova. Qualquer sinal de uma rachadura no magnífico trabalho de Einstein desencadearia o desenvolvimento de uma nova teoria da gravidade, talvez preparando o caminho para descobrir a plena natureza quântica dessa força. Isso é algo que atualmente não entendemos. 

Mas em todos os aspectos, a RG passa com sucesso total em todos os testes; de satélites sensíveis a lentes gravitacionais, testes de velocidade da gravidade, anãs brancas e estrelas de nêutrons, estrelas tripas, de órbitas de estrelas em torno de buracos negros gigantes a ondulações de ondas gravitacionais e da evolução do próprio Universo, o legado de Einstein provavelmente persistirá por algum tempo.