Einstein está no topo da lista dos cientistas mais famosos e icônicos da história. Suas teorias da Relatividade Restrita em 1905 e da Relatividade Geral em 1915 revolucionaram o universo da física.
O físico alemão foi além da teoria da gravidade de Newton, que existia desde 1687. Einstein também introduziu seus famosos experimentos mentais, que também colocaram à prova os primeiros desenvolvimentos da mecânica quântica. Suas contribuições neste campo lhe renderam o Prêmio Nobel de Física, que ganhou em 1921 pelo efeito fotoelétrico.
Muitas pessoas acreditam que o Prêmio Nobel de Relatividade Geral, que não foi dado a ele, é uma grande dívida pendente. Por essa teoria, a gravidade é entendida como uma deformação ou curvatura do espaço-tempo, causada pela distribuição de massas e energias.
Em outras palavras: quanto mais massa é compactada em menos volume, mais espaço-tempo ao seu redor é deformado ou curvado. Quaisquer outras partículas ou objetos que passam perto desses objetos sentem essa curvatura, o que faz com que sua trajetória mude.
Previsão confirmada: o dia em que a curvatura do espaço-tempo foi observada
Algumas das previsões ou consequências da Relatividade Geral foram postas à prova em pouco tempo. Em 1919, apenas quatro anos após a publicação da teoria, ocorreu um eclipse solar total, o evento ideal para testar a curvatura do espaço-tempo.
Foram várias as expedições científicas que viajaram ao Brasil e à costa oeste africana para tirar as melhores fotos e dados daquele eclipse e, sobretudo, das estrelas que cercavam o Sol.
O objeto mais massivo e compacto que temos em nossas cercanias é o Sol. O que se queria verificar era se a luz de estrelas distantes era afetada pela curvatura do espaço-tempo gerada pelo Sol ao passar perto dele.
Nesse caso, seu caminho se desviaria ligeiramente de uma linha reta, fazendo com que a posição aparente da estrela no céu sofresse uma pequena mudança. A confirmação desse efeito, consistente com as medições do eclipse de 1919, tornou Einstein mundialmente famoso.
As dúvidas de Einstein: as vibrações do espaço-tempo
Mas, para demonstrar experimentalmente outras previsões da Relatividade Geral, precisamos esperar muito mais. Em 1916, Einstein começou a analisar detalhadamente suas equações e, em particular, uma série de termos que, simplificadamente, se parecem com uma equação de onda: a mesma estrutura que aparece em muitos sistemas físicos nos quais temos uma perturbação que se propaga transportando energia.
Nesse caso, as equações dizem que o que vibra é o próprio espaço-tempo, e chamamos esses distúrbios de ondas gravitacionais.
Eles poderiam ser vistos? Haveria uma maneira de "ouvir" as vibrações do espaço-tempo?
Durante sua vida, Einstein duvidou da real existência desse fenômeno (talvez fosse um artefato matemático, mas sem realização física?). Einstein não foi o primeiro nem o único físico a duvidar das consequências matemáticas de sua teoria. Ele teve seus altos e baixos com colegas e revistas científicas de prestígio que deram origem a histórias muito interessantes.
Seja como for, e com a contribuição de personalidades proeminentes, finalmente entendeu-se que as ondas gravitacionais eram de fato uma previsão real da teoria.
Suas propriedades foram analisadas e restava ver se a corrida tecnológica para verificar experimentalmente sua existência rendia frutos.
Previsão confirmada: ondas gravitacionais foram finalmente "ouvidas"
A amplitude dessas ondas é tão, tão extremamente fraca que o próprio Einstein não tinha muita confiança de que sua detecção seria possível um dia.
Cada um dos testes a que a Relatividade Geral foi submetida não foi capaz de encontrar discrepâncias, mas não detectar ondas gravitacionais ou detectá-las com propriedades diferentes das teorizadas seria uma demonstração de que essa teoria não reproduzia fielmente a realidade.
O sucesso do desenvolvimento tecnológico levou décadas, e das habituais tentativas fracassadas que nem sempre são mencionadas na ciência, como os experimentos pioneiros do físico Joseph Weber com barras ressonantes na década de 1960.
Os instrumentos que finalmente conseguiram superar esse desafio são os interferômetros a laser.
A primeira detecção de ondas gravitacionais ocorreu em 2015.
Ela foi realizada pelos observatórios americanos LIGO e foi um evento literalmente histórico.
As ondas gravitacionais detectadas também foram associadas a outra das consequências da Relatividade Geral: vieram da fusão de dois buracos negros de cerca de 36 e 29 vezes a massa do Sol, e passaram pelos detectores após viajarem cerca de 1,3 bilhão de anos-luz.
O Observatório Europeu Virgo se juntou à coleta de dados no verão de 2017, com uma detecção tripla de uma fusão de estrelas de nêutrons que incluiu ondas gravitacionais na astronomia multi-mensageiro (astronomia baseada no registro e interpretação simultânea de vários sinais do espaço). O observatório KAGRA se juntará à rede global no próximo período de observação, programado para dezembro deste ano.
Já temos um total de 90 eventos confirmados, todos eles têm como cenário astrofísico a fusão de dois objetos compactos: pares de buracos negros, pares de estrelas de nêutrons ou pares mistos de um buraco negro e uma estrela de nêutrons.
A porta da pesquisa está aberta para objetos compactos de natureza diferente, e as ondas gravitacionais que eles geram podem nos dar pistas sobre sua estrutura e propriedades. Estamos impacientes para ver as novas surpresas que estão por vir.
A constante cosmológica: o maior "erro" de Einstein?
No capítulo sobre as previsões de Einstein não podemos esquecer a famosa constante cosmológica, que também gerou contradições. Essa constante, suas propriedades e se ela é capaz de modelar fielmente a evolução e expansão do universo à luz de dados futuros é a página do livro que está sendo escrita neste momento.
Einstein introduziu essa constante em suas equações para forçar (devido a crenças pessoais) um modelo de universo estático, uma espécie de "energia repulsiva" sem a qual o universo acabaria entrando em colapso devido ao efeito da própria gravidade.
No entanto, após as observações em 1931 do físico Edwin Hubble (1889-1953) sobre a expansão do universo, Einstein considerou sua proposta como "o maior erro" de seu trabalho científico. Ele estava certo?
O interesse pela constante cosmológica introduzida por Einstein ressurgiu novamente com as teorias quânticas de campo, uma vez que estas predizem uma energia do vácuo que pode se comportar, para todos os efeitos, como a constante cosmológica que ele previu.
Então parece que Einstein, mais uma vez, acertou novamente.
*Isabel Cordero Carrión é professora e pesquisadora da Faculdade de Matemática da Universidade de Valência, Espanha.
Este artigo foi publicado originalmente no site de notícias acadêmicas The Conversation e republicado aqui sob uma licença Creative Commons. Leia aqui a versão original (em espanhol).
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