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A Fronteira Actual da Teoria

Há 45 anos atrás, como se percebe pelo que ficou dito, os físicos na sua quase totalidade manifestavam muito pouco interesse pela relatividade geral ou pela interacção gravitacional. Esta situação começou a sofrer uma suave inflexão com os acontecimentos dos anos 60.

Nos anos 70 e 80 assistimos por sua vez ao ressurgimento do paradigma da unificação da física, tão querido a Einstein nos últimos anos da sua vida, e que dominou muitos dos desenvolvimentos teóricos verificados nestes vinte anos. Embora esse esforço renovado não se tenha ainda saldado por um verdadeiro sucesso, deu alguns frutos visíveis entre os quais se destaca a aliança da relatividade geral com a física das partículas elementares na construção de modelos cosmológicos para o universo primordial.

Os nossos conhecimentos de astronomia não sugeriam, antes dos anos 60, situações no Universo onde a gravidade fosse suficientemente intensa para produzir espaços-tempo fortemente curvos. Mas apesar da actual densidade de matéria no Universo ser muito pequena (cerca de uma massa solar por bilião cúbico de ano-luzgif) o Universo é muito grande (os actuais telescópios permitem observar distâncias da ordem do bilião de ano-luz) e toda a matéria nele existente contribui cumulativamente para a curvatura do espaço-tempo.

Desde 1915 que Einstein se deu conta que, a uma escala cosmológica, o efeito cumulativo da curvatura do espaço podia tornar-se tão grande que alteraria a sua topologia. Voltemos por um instante aos exemplos bi-dimensionais dados atrás. Se a curvatura de uma superfície é sempre para o mesmo lado e aproximadamente igual por toda a parte, o espaço acaba por se fechar sobre si próprio, como no caso da superfície esférica. Embora numa região suficientemente pequena as propriedades geométricas da superfície esférica não sejam muito diferentes das do plano, a estrutura global é claramente diferente -- a esfera é, como sabemos, uma superfície com uma área finita, embora não possua qualquer fronteira. Como consequência, é possível tomar o caminho mais curto entre dois pontos (geodésica) e seguir sempre em frente até regressar ao ponto de partida pelo sentido oposto. O modelo de Einstein para o Universo era o análogo tri-dimensional da superfície esférica. Contudo, vimos já que existem outros espaços uniformes tri-dimensionais como o espaço hiperbólico, de curvatura negativa, e o espaço euclideano sem curvatura. A determinação da natureza global do espaço é uma das tarefas mais importantes da cosmologia moderna. Porém, a porção do Universo acessível aos maiores telescópios fixos na Terra, ou aos telescópios espaciais, como é o caso do Hubble, é demasiado pequena para revelar a estrutura global directamente. Para esclarecer este enigma é necessário usar uma combinação de teoria e de observação.

Ao medir pequenas variações da temperatura da radiação cósmica de fundo, da ordem dos 30 milionésimos do grau centígrado, o satélite americano COBE registou recentemente os sinais deixados nessa radiação por pequenas flutuações de densidade do plasma cósmico, formadas cerca de tex2html_wrap_inline493 anos após o big bang, que se situam nos confins do espaço, a cerca de 15 mil milhões de anos-luz. É presumível que essas flutuações de densidade correspondam a concentrações de matéria aglutinadas pela gravidade para formar as galáxias e os aglomerados de galáxias que hoje observamos. Trata-se da maior e da mais antiga das estruturas alguma vez observadas. Essas manchas de ``anisotropia" no brilho da radiação de fundo estendem-se ao longo de uma tira de dimensões colossais, ao pé da qual a ``Grande Muralha" de galáxias, descoberta por Margaret Geller e John Huchra em 1989, com cerca de 500 milhões de anos-luz, é uma estrutura quase insignificante. A maior das manchas agora descoberta cobre um terço do Universo conhecido, ou seja mais de 3 biliões de anos-luz.

Para dar uma ideia da enormidade destas distâncias vale a pena comparar com a distância da Terra à Lua (cerca de 1,25 segundo-luz, ou seja, cerca de 375 mil quilómetros) ou com a distância média da Terra ao Sol (cerca de 8 minutos e 20 segundos luz, aproximadamente 150 milhões de quilómetros). A distância à estrela mais próxima (Proxima Centauro) é cerca de 4,2 anos-luz e a distância do Sol ao centro da Via Láctea é aproximadamente tex2html_wrap_inline703 anos-luz.

Recordemos brevemente algumas das observações astronómicas que foram determinantes para o estabelecimento do modelo do big bang. A primeira e mais relevante observação é com certeza a chamada lei de Hubble que descreve o afastamento das galáxias distantes com velocidades proporcionais às suas distâncias: v=H(t)d. Nesta fórmula v é a velocidade de recessão da galáxia, d é a distância, e H é a ``constante" de Hubble no instante em que fazemos a observação. É esta lei que permite atribuir uma dinâmica ao Universo e nos leva a afirmar que o Universo actual está em expansão. É uma lei empírica, mas que se pode deduzir teoricamente no âmbito da cosmologia relativista saída da teoria de Einstein da relatividade geral. A partir do valor actual da constante de Hubble podemos estimar a idade aproximada do Universo, admitindo uma taxa de expansão constante, tex2html_wrap_inline713 , a que chamamos ``tempo de Hubble". Infelizmente não conhecemos o valor de H com exactidão. As medidas actuais de H fornecem resultados compreendidos entre 50 e tex2html_wrap_inline721 por segundo e por megparsec--o megaparsec (Mpc) equivale a 3,26 mil milhões de anos-luz. Por outras palavras, isto significa que uma galáxia que se encontre à distância de 1 Mpc se afasta de nós com uma velocidade que pode estar compreendida entre 50 e tex2html_wrap_inline721 por segundo, consoante o valor de H que tomarmos. gif Mais precisamente, devemos entender que é o próprio espaço que se expande com essa velocidade no momento de observação. E quanto maior for a distância entre as galáxias maior será a velocidade, sendo esta independente da direçcão de observação. A estes valores da constante de Hubble corresponde uma idade para o Universo que se situa entre 10 e 20 mil milhões de anos. Assim, é normal adoptar o valor intermédio de 15 mil milhões de anos para dar uma ordem de grandeza da idade do Universo. Com base neste cálculo aproximado, podemos afirmar que as manchas de anisotropia agora descobertas se situam a uma distância de 15 mil milhões de anos-luz. Deve-se notar que o valor de H varia no tempo, e a idade do Universo não só depende de H mas também do modelo teórico utilizado. Os 15 mil milhões de anos representam, como não podia deixar de ser, um valor grosseiro que dá uma ordem de grandeza da idade do Universo. Acrescente-se que há determinações independentes para a idade das estrelas mais antigas que fornecem valores compreendidos entre os 13 e os 18 mil milhões de anos.

A descoberta de E. Hubble em 1929-um Universo dinâmico em expansão-foi sem dúvida uma das maiores descobertas do século. Na altura, já a teoria da relatividade geral de Einstein tinha produzido os modelos teóricos capazes de descrever um Universo em expansão. Mas só nos finais dos anos 40 foram essas ideias levadas até às suas últimas consequências por George Gamow e seus colegas Ralph Alpher e Robert Herman, os quais previram a existência de uma radiação cósmica em equilíbrio térmico, banhando uniformemente o Universo com uma temperatura de aproximadamente 5 kelvin (cerca de -268 graus centígrados), relíquia de uma época em que o Universo era muito quente e denso. Nasceu assim o modelo hoje conhecido por big bang quente. A radiação electromagnética de origem cósmica, no domínio das microondas, prevista pelo big bang seria descoberta em 1964 quase acidentalmente por Arno Penzias e Robert Wilson e identificada um ano mais tarde por Robert Dicke e James Peebles. Desde então têm sido realizadas inúmeras observações para determinar rigorosamente o espectro da radiação cósmica de fundo (RCF), para saber se se trata de uma radiação isotrópica (ideal) tipo corpo negro, e obter com precisão a sua temperatura característica. Essas observações confirmaram os resultados iniciais de Penzias e Wilson: fixaram o valor da temperatura efectiva em 2,7 kelvin e mostraram que a radiação era extraordinariamente isotrópica (quando se observa a radiação em diferentes direcções concluimos que as variações de temperatura são inferiores a 0,0001 do grau centígrado). Este resultado constituiu a prova mais sólida a favor do modelo do big bang. A outra previsão notável deste modelo é a relação entre o hélio e o hidrogénio existentes no Universo.

A missão do COBE foi cuidadosamente planeada em função da nossa compreensão actual do Universo. Em Janeiro de 1990, dois meses após o início da sua missão, o COBE tinha já coberto tex2html_wrap_inline745 do céu e obtido um valor bastante preciso para a temperatura efectiva da RCF (T=2,735 kelvin), mas não tinha ainda detectado quaisquer sinais de anisotropia. Sabia-se que a sensibilidade do COBE aumentaria de um factor 10 perto do fim da missão e finalmente chegaram os resultados surpreendentes recentemente noticiados, que confirmam grosso modo as ideias chave do modelo do big bang. Em particular, a existência dessas manchas de anisotropia, devidas a flutuações de temperatura, era um requisito indispensável para explicar a formação de estruturas num Universo espacialmente homogéneo e isotrópico, como é o modelo do big bang. Um dos maiores obstáculos à aceitação deste modelo era precisamente a sua incapacidade para produzir as condições necessárias para a formação de galáxias. Concretamente, parecia difícil conciliar a hipótese teórica de uma grande uniformidade a uma larga escala e a necessidade de concentrações de matéria suficientes para resistir à expansão do Universo e dar lugar à formação de estruturas. Ultrapassado este obstáculo, foi possível assegurar a predominância deste modelo no quadro das teorias que procuram explicar a origem e evolução do cosmo. O COBE foi construido para observar as estruturas maiores, mas falta agora pesquisar as estruturas mais pequenas, correspondentes aos aglomerados e superaglomerados de galáxias. Para isso os astrofísicos e cosmólogos contam com detectores colocados no Polo Sul e instrumentos lançados em balões-sonda na estratosfera. Espera-se receber em breve o resultado dessas observações, que serão cruciais para testar o chamado estado inflacionário ocorrido no Universo mais primitivo (cerca de tex2html_wrap_inline749 após o big bang). Uma das previsões da inflação cosmológica relaciona-se com as flutuações de densidade para pequenas e grandes estruturas. As manchas observadas pelo COBE estão de acordo com essas previsões. Espera-se que as mais pequenas estruturas também estejam.

A ideia essencial de um Universo em expansão, tendo passado por uma fase extremamente quente durante a qual se produziram por fusão nuclear alguns elementos químicos leves (como o hélio, o deutério e o lítio), é uma ideia adquirida em cosmologia. Esta ideia conduz-nos quase inevitavelmente à conclusão que esta expansão começou com um big bang alguns 10 ou 20 biliões de anos atrás. O estado do Universo era então muito semelhante ao interior de um buraco negro, embora invertido no tempo. Neste quadro, o Universo emergiu aparentemente duma singularidade antes da qual nem o espaço nem o tempo existiam. Por outro lado, a ideia de uma fase inflacionária durante a qual o Universo se expandiu aceleradamente também parece ser uma ideia que viverá connosco ainda por muito tempo. Há muitos ``pormenores" ainda por clarificar e há certamente várias teorias mais ou menos complicadas que podem incorporar esta ideia base de um Universo em expansão.

Dos problemas por esclarecer devemos mencionar que ainda não dispomos de uma teoria convincente para a formação das galáxias, e é bem possível que a maior parte da matéria existente no Universo (matéria negra, não visível) não tenha ainda sido detectada. Há bons indícios da existência dessa matéria negra, que se julga actualmente necessária para compreender os mecanismos de formação das galáxias e, no caso dos indícios se confirmarem, essa matéria negra será determinante para a evolução futura do Universo. Permanecem ainda por desvendar inúmeros mistérios e, entre eles, os momentos iniciais do Universo, anteriores às primeiras estruturas agora observadas, são sem dúvida um tema apaixonante que continua a ser investigado.

A atribuição do Prémio Nobel da Física de 1993 a Joseph Taylor e Russell Hulse da Universidade de Princeton pela sua descoberta do pulsar binário PSR 1913+16 põe finalmente um sinal de aprovação na teoria da relatividade geral. É caso para citar o aforismo popular: mais vale tarde do que nunca!

A teoria da relatividade de Einstein revolucionou os nossos conceitos de espaço, de tempo e de universo. No entanto, o prémio Nobel da física nunca tinha sido antes atribuido a um trabalho tão directamente relacionado com a relatividade geral. Em 1921 Einstein recebeu o prémio Nobel da Física pelo seu trabalho sobre o efeito fotoeléctrico e não pela relatividade. Parte do problema ficou a dever-se ao facto da teoria ser difícil de testar, e historicamente os Júris do Nobel parecem preferir premiar trabalhos que tenham tido confirmação experimental.

Até 1974, o sistema solar era o laboratório por excelência da relatividade geral. Porém, a descoberta do pulsar binário no Verão de 1974 mostrou como certos tipos de sistemas astronómicos distantes podem fornecer laboratórios de precisão para testar a relatividade geral. O sistema estudado é constituido por um pulsar com um período de tex2html_wrap_inline751 s e com um período orbital de cerca de 8 horas em torno de um conpanheiro que não foi ainda directamente observado, mas que se crê tratar-se de uma estrela de neutrões ``morta". A inesperada estabilidade do ``relógio" do pulsar e a limpidez da órbita permitiram a Hulse e Taylor e seus colaboradores determinar os parâmetros do sistema com grande precisão. O sistema é altamente relativista, como se deduz das relações tex2html_wrap_inline753 e tex2html_wrap_inline755 que permitem antever efeitos cinemáticos (como a dilatação do tempo) e efeitos gravitacionais (como o deslocamento espectral para o vermelho) significativos. A observação do avanço do periastro (termo correspondente ao periélio) de tex2html_wrap_inline757 por ano, e os efeitos associados aos tempos de chegada dos impulsos (deslocamento gravitacional para o vermelho, dilatação temporal) podem ser usados, assumindo que a relatividade geral é correcta, para determinar as massas do pulsar e do seu companheiro, sendo o resultado tex2html_wrap_inline759 e tex2html_wrap_inline761 , onde tex2html_wrap_inline763 é a massa do Sol.

Uma das previsões mais importantes da teoria de Einstein, ainda não discutida aqui, é a existência de ondas gravitacionais. Embora Joseph Weber da Universidade de Maryland, nos Estados Unidos, tenha comunicado a detecção de ondas gravitacionais em 1968, nenhum outro investigador poude confirmar os seus resultados. A opinião generalizada entre os relativistas era que as ondas gravitacionais não tinham ainda sido detectadas. Ora, o pulsar binário descoberto em 1974 é o laboratório adequado para testar a existência dessas ondas. Poderá uma massa acelerada radiar ondas gravitacionais, da mesma forma que uma carga eléctrica acelerada radia ondas electromagnéticas? Tal foi a questão que Einstein tentou responder. Em 1918 Einstein descobriu soluções das equações da relatividade geral que representavam ondas da curvatura do espaço-tempo a propagar-se com a velocidade da luz. A analogia entre as ondas gravitacionais e as ondas electromagnéticas tem alguma utilidade mas é insuficiente para dar uma ideia precisa deste tipo de ondas (Figs. 8 e 9). Uma primeira diferença a salientar: a gravitação é sempre atractiva; a massa, ou ``carga gravitacional", tem sempre o mesmo sinal. Como resultado disto, um ``oscilador" gravitacional elementar, constituido por duas massas vibrantes na extremidade de uma mola, não radia o mesmo tipo de ondas que duas cargas eléctricas de sinais opostos, pois a radiação electromagnética é ``dipolar", e a radiação gravitacional é ``quadripolar". Uma complicação adicional é que o gravitão, a partícula transportadora duma onda gravitacional, transporta uma ``carga gravitacional" associada à sua energia, enquanto o fotão, a partícula que transporta a interacção electromagnética, não tem uma carga eléctrica. Como resultado uma onda gravitacional produzida por uma massa acelerada é ela própria fonte de gravitação: o gravitão é um grave ou a gravidade gravita! Em termos técnicos dizemos que a gravidade é ``não linear". Esta não-linearidade introduz dificuldades consideráveis mesmo nas situações aparentemente mais simples, como no cálculo do campo gravítico gerado por duas massas em movimento. Ao contrário do que acontece em electromagnetismo, o campo produzido pelas duas massas não é a soma dos campos produzidos por cada uma das massas isoladamente; temos de ter em conta a gravitação produzida pela interacção das duas massas, que varia à medida que elas se movem. É por esta razão que o chamado ``problema dos dois corpos", como no caso de um binário de estrelas, para o qual existe uma solução newtoniana fácil de obter, não pode ser resolvido rigorosamente em relatividade geral. Porém, no caso dos campos gravitacionais razoavelmente fracos a não-linearidade pode ser ignorada, como acontece quando queremos detectar ondas gravitacionais produzidas por fontes distantes. Mas as equações simplificadas que assim se obtêm não podem ser usadas na explosão de uma supernova ou na colisão de dois buracos negros. Uma terceira diferença a notar tem a ver com as intensidades relativas. Dois protões colocados a um centímetro de distância ficam sujeitos aos dois tipos de interacções: gravitacional e electromagnética. Mas a gravidade que os atrai é tex2html_wrap_inline765 mais fraca que a força electrostática que os repele. Este é o principal obstáculo à detecção de ondas gravitacionais. Um binário de estrelas de neutrões radia energia gravitacional suficiente para que os seus efeitos possam ser detectados indirectamente: através da perda de energia indicada pelo a diminuição do período de revolução orbital.

A medida da taxa de decrescimento do período orbital do pulsar binário PSR 1913+16 deu em 1979 a primeira comprovação dos efeitos de amortecimento devidos à radiação gravitacional. Usando os elementos orbitais medidos e dispondo dos valores das massas do sistema, obtidas por aplicação da relatividade geral, a fórmula de Einstein do ``momento quadripolar" prevê uma taxa de atenuação do período orbital dada por: tex2html_wrap_inline767 . As observações têm agora um rigor melhor que tex2html_wrap_inline769 , estando tex2html_wrap_inline771 , completamente de acordo com a previsão teórica. Isto é uma prova (indirecta) da existência de ondas gravitacionais, do seu carácter quadripolar e da validade da fórmula da relatividade geral obtida por Einstein.

Hoje conhecem-se cerca de 40 pulsares binários emissores rádio. Dois deles, o PSR 1534+12 que se encontra na nossa galáxia, e o PSR 2127+11C no enxame globular M15, são laboratórios de relatividade altamente promissores. Atendendo à sua enorme precisão e à sua proximidade da Terra, o PSR 1534+12 pode fornecer uma determinação ainda mais rigorosa da taxa dP/dt do que o valor proporcionado pelo PSR 1913+16.

Além de verificarem a existência de ondas gravitacionais os pulsares binários permitem a realização de testes da relatividade geral para campos fortes, em contraste com os testes para campos fracos realizados no sistema solar. Na verdade, como estes sistemas contêm pelo menos uma, mas talvez duas estrelas de neutrões, dispomos assim de campos gravitacionais fortemente relativistas.

Recordando as palavras de A. Schild diremos que, sem sombra de dúvidas, a teoria da relatividade geral de Einstein passou, nos últimos 34 anos, do reino da matemática ao da física. Não é mais possível continuar a fazer astrofísica e cosmologia sem recorrer a esse instrumento teórico precioso que é a teoria da gravitação de Einstein. Ninguém hoje duvida que a Gravidade é a ``força" organizadora do Universo: a interacção dominante na formação de estruturas (galáxias, estrelas, pulsares e buracos negros) e na dinâmica do Universo no seu conjunto. Mas a investigação nos próximos vinte anos deverá também revelar maior informação do interior dessas estruturas, através da detecção de ondas gravitacionais, e provar que a Gravidade é a força unificadora de todas as interacções físicas.

Sugestões de Leitura

Agradecimentos

Por ocasião dos setenta e cinco anos da observação do encurvamento dos raios luminosos por Sir Arthur Eddington na Ilha do Príncipe, durante um eclipse total do Sol, a Fundação Gulbenkian fez deslocar a S. Tomé e Príncipe uma comitiva que participou nas cerimónias de comemoração. Este artigo é um desenvolvimento da conferência realizada no Centro Cultural Português de S. Tomé, em 27 de Maio de 1994, a convite da Fundação. Agradeço aos Professores J. Caraça e J. Moreira Araújo esta dupla oportunidade. Agradeço também ao Professor J. Moreira Araújo a leitura atenta da primeira versão deste texto e as várias sugestões que muito contribuiram para o melhorar. Finalmente quero agradecer à minha mulher, Ana Isabel Simões, os muitos comentários, críticas, e sugestões que ajudaram a dar forma ao produto final, cuja responsabilidade é apesar de tudo minha.

Lisboa, 28 de Outubro de 1994

Legendas das Figuras e das Fotografias


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Paulo Crawford
Sat Apr 10 16:51:20 GMT 1999