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A teoria da relatividade geral revolucionounosso entendimento acerca de tempo e espaço.Com ela, a mais quotidiana das interaçõesfundamentais conhecidas, a gravidade, ganhouuma interpretação profunda e até mesmo fan-tástica. Da “criação” do Universo aos abismosde tempo e espaço escondidos no interior dosburacos negros, a relatividade geral trans-formou para sempre nossa visão da Natureza.E mesmo depois de um século, continua a nossurpreender e a ser a única janela por ondepodemos vislumbrar aspectos da Natureza queainda escapam aos maiores e mais avançadoslaboratórios terrestres.

Daniel Augusto Turolla VanzellaInstituto de Física de São Carlos,Universidade de São Paulo, São Carlos,SP, BrasilE-mail: vanzella@ifsc.usp.br○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

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Teoria da relatividade geral

Introdução

Em novembro de 1915, AlbertEinstein apresentava à comunidadecientífica o resultado de quase dez

anos de esforços em sua busca por umanova teoria da gravidade. A teoria darelatividade geral, como foi chamada, quesubstituiu, como entendimento funda-mental, a velha teoria da gravitação uni-versal de Isaac Newton, revolucionavamais uma vez nosso entendimento acercade tempo e espaço,que, agora, além deserem percepçõesdependentes deobservador (ou seja,relativas) de um entemais fundamental - oespaço-tempo -, eramtambém suscetíveisde serem distorcidospela presença de matéria e energia. Nessecenário, a mais quotidiana das interaçõesfundamentais conhecidas, a gravidade,ganhou uma interpretação profunda e atémesmo fantástica. Da “criação” do Uni-verso e sua evolução, aos abismos de tem-po e espaço escondidos no interior dosburacos negros, a relatividade geraltransformou para sempre nossa visão danatureza. E mesmo depois de um século,continua a nos surpreender e a ser a únicajanela por onde podemos vislumbraraspectos da natureza que ainda escapamaos maiores e mais avançados laboratóriosterrestres.

Das quatro forças fundamentaisconhecidas na natureza - aquelas que nãopodem ser explicadas em termos de forçasainda mais elementares -, a gravidade écertamente a que primeiro nos demos con-ta de sua existência. Antes mesmo de des-cermos das árvores, aprendemos a res-peitá-la - sob pena de, não o fazendo, nãosobrevivermos ao tombo. A constataçãode que objetos soltos no ar caem no chão

é tão corriqueira que o leitor pode se sur-preender ao saber que as tentativas de seexplicar esse fenômeno levaram a duas dasmaiores revoluções na história do pensa-mento humano, unindo céu e terra etocando no mais antigo de todos osmistérios: a origem do Universo.

Alcançando o céu

Ao que sabemos, a primeira tentativade se explicar o fenômeno de queda deobjetos remonta aos gregos antigos. De

acordo com o filósofogrego Aristóteles (384-322 a.C.), um objetomaterial lançado ao arretornava ao soloporque o elementoterra presente em suaconstituição tinha atendência natural deocupar o centro do

Universo. Como a própria Terra jáocupava esse lugar privilegiado, racioci-nava Aristóteles, o melhor que os outroscorpos materiais poderiam fazer seriaaproximarem-se o máximo possível dessecentro; ou seja, voltarem ao chão.

Apesar de insatisfatória para ospadrões atuais, essa explicação permane-ceu sem contestação no mundo ocidentalpor quase dois mil anos. Em particular,ela se encaixava naturalmente em duasidéias amplamente aceitas até o final daIdade Média. Uma delas era o geocentrismo- a visão de que a Terra ocupava o centrodo Universo -, essencial na explicaçãoaristotélica da gravidade. Outra era arígida dicotomia entre os fenômenos ter-restres e os celestes: a causa de um fenô-meno tão mundano quanto a queda deum objeto não podia ter nenhumaconexão com fenômenos que se desenro-lavam na esfera celeste, como o movi-mento da Lua e dos planetas, fenômenosestes sob a jurisdição exclusiva de anjos edeuses. Foi o físico inglês Isaac Newton

A constatação de que objetossoltos no ar caem no chão é tãocorriqueira que o leitor pode se

surpreender ao saber que astentativas de se explicar esse

fenômeno levaram a duas dasmaiores revoluções na história

do pensamento humano

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(1642-1727) quem primeiro demonstrouque tal separação era ilusória e que a mes-ma lei que rege a queda de uma simplesmaçã aqui na Terra podia também regu-lar o movimento da Lua ao redor da Terrae dos planetas ao redor do Sol. A sua leida gravitação universal - universal por seaplicar igualmente a todos os objetos, ter-restres e celestes - marca a primeira grandeunificação ocorrida no âmbito científico,rasgando o véu que mantinha os mistériosdo céu protegidos do poder de nossa razão.

Por mais de duzentos anos, a gravi-tação universal de Newton foi ampla-mente aplicada, explicando com sucessoo movimento de planetas e cometas, ofenômeno das marés provocado pela atra-ção gravitacional da Lua, a precessão dosequinócios - mudança gradual na direçãodo eixo de rotação da Terra devido a seuformato ligeiramente achatado e à forçagravitacional do Sol -, entre outros. Suaexatidão era (e é) tão grande que, baseadonessa lei e em pequenas irregularidadesna órbita do planeta Urano, o matemáticofrancês Urbain Le Verrier (1811-1877) foicapaz de predizer, em 1846, a existência ea posição de um planeta até entãodesconhecido que seria responsável poressas irregularidades; Netuno, como foibatizado, foi descoberto dias depois peloastrônomo alemão Johann Galle (1812-1910) onde Le Verrier havia dito que eleestaria. Plutão seria descoberto mais oumenos da mesma maneira, em 1930,devido a irregularidades na órbita deNetuno. Mas se a teoria da gravitaçãouniversal de Newton era tão bem sucedi-da, por que a necessidade de substituí-la?

Tempo e espaço relativos

Em 1905, os alicerces mais profundossobre os quais todas as teorias físicas sãoconstruídas, nossas noções elementares detempo e espaço, foram abalados. O jovemfísico alemão Albert Einstein (1879-1955),então um desconhecido funcionário doescritório de patentes de Berna, Suíça,apresentava a solução para um enigmaque vinha desafiandofísicos teóricos e ex-perimentais haviacerca de duas déca-das: a invariância davelocidade da luz.Diferentemente davelocidade de objetoscomuns, cujo valortambém depende doestado de movimentodo observador que faz a aferição - umcarro a 40 km/h em relação a um pedestreparado na calçada é visto com umavelocidade de 70 km/h pelo motorista de

um outro carro trafegando em sentidocontrário a 30 km/h -, a velocidade da luzparecia ser sempre a mesma, cerca de300.000 km/s, independente do movi-mento relativo entre a fonte emissora e oobservador - ou seja, no exemplo ante-rior, ambos, pedestre e motorista do carrotrafegando em sentido oposto, mediriamexatamente a mesma velocidade para a luzemitida pelo farol do primeiro carro.Einstein percebeu que a única maneiraconsistente de compreender esse estranhocomportamento -uma velocidade abso-luta - era aceitar quetanto a percepção deespaço quanto a detempo deveriam de-pender do movimentodo observador: tempoe espaço seriam con-ceitos relativos. Umexemplo pitoresco comumente utilizadopara ilustrar esse fato é o de dois irmãosgêmeos que se separam, um deles saindoem uma viagem a altíssima velocidade eo outro permanecendo em sua vidapacata. Quando o gêmeo viajante retornade sua veloz empreitada, encontra seuirmão tendo envelhecido mais do que elepróprio; ou seja, o tempo passou maisdevagar para o viajante do que para quempermaneceu em repouso - efeito tantomais acentuado quanto mais próximo davelocidade da luz tiver sido o movimentodo viajante. Além disso, a distância per-corrida na viagem também é fonte dediscordância: para o gêmeo que ficouparado, a distância percorrida pelo seuirmão viajante é maior do que a que esteúltimo atribui a sua própria viagem. Eins-tein mostrou que nossas percepções detempo e espaço devem ser afetadas pelonosso estado de movimento de modo acompactuar para que um valor especialde velocidade seja absoluto: a velocidadeda luz.

Ao revolucionar nosso entendimentosobre tempo e espaço, a teoria da relativi-

dade, como ficou co-nhecida a teoria deEinstein, marcou umamudança de paradig-ma na física. Agora,qualquer teoria compretensões de descre-ver a natureza em seusaspectos mais funda-mentais deveria serconstruída sobre essas

novas fundações e não sobre as velhasbases newtonianas. Em particular, a teoriada gravitação universal de Newton, assen-tada sobre os alicerces de tempo absoluto

e espaço euclidiano, por mais bem suce-dida que tivesse sido até aquele momento,tinha que ser substituída por uma novateoria da gravidade que se conformassecom esse novo paradigma.

Encurvando o tempo e o espaço

O próprio Einstein tomou para si essatarefa de encontrar uma nova teoria paraa gravidade. Se fôssemos citar os princi-pais marcos em sua busca, eles seriamtrês: a formulação do princípio de equiva-

lência de Einstein, osurgimento da idéiade espaço-tempo e apercepção de que esseespaço-tempo deveriater uma geometria cur-va.

O princípio deequivalência de Eins-tein é na verdade uma

reinterpretação de um fato que já era bemconhecido na gravitação newtoniana: ode que todos os objetos caem com amesma aceleração sob a ação da gravi-dade, independentemente do quão pesadossejam. Einstein percebeu que esse inocentefato, sozinho, possibilitava interpretar aforça da gravidade como sendo uma forçade inércia, termo usado para designar umaforça que deixa de existir quando se adotaum ponto de vista especial - o de umreferencial inercial. Um exemplo comumde uma força de inércia é a força centrífugaque tenta nos jogar para fora de umreferencial em movimento circular, comoum carrossel girando ou um carro fazen-do uma curva. Essa força, que tem efeitosbastante reais para quem está nesse refe-rencial, sendo jogado para fora, simples-mente deixa de existir quando se adota oponto de vista de alguém parado em terrafirme, para quem a simples inércia dosobjetos - a tendência de manterem seuestado de movimento retilíneo comvelocidade constante - é a responsável por“jogá-los” para fora. No caso da gravida-de, imagine-se confinado(a) em umacabine que parece ser um elevador, semsaber como foi parar ali. De repente, umsúbito solavanco é seguido de um intensofrio na barriga e uma sensação de totalausência de peso. Seus pés mal tocam ochão e seu celular, tendo escapado de suamão com o susto, flutua a seu lado. Suaconclusão é tão desesperadora quantoaparentemente inescapável: o elevadorencontra-se em queda livre, sendo a sen-sação de flutuação apenas uma conse-quência de que tudo - elevador, você, seucelular - cai com a mesma aceleração soba ação da gravidade. Você apenas lamen-ta que essa sensação logo terminará com

O sucesso da gravitaçãouniversal de Newton foi

construido sobre triunfos comoprever irregularidades naórbita de Urano devido apresença de outro corpopróximo. Esse corpo seriadescoberto e batizado de

Netuno

Para explicar a invariância davelocidade da luz - problema

que desafiou os físicos duranteduas décadas - Einstein propôsque tanto o espaço quanto o

tempo dependiam diretamentedo observador. Portanto, esses

conceitos eram relativos

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o elevador se estatelando no fundo dofosso. No entanto, um pensamento oti-mista lhe vem à mente: estaria mesmo oelevador em queda livre? Como ter certeza,apenas baseado no que acontece dentroda cabine? Como discernir a situação dequeda livre da possibilidade de que essacabine na verdade esteja flutuando noespaço sideral longe de qualquer planetaou corpo capaz de provocar gravidade?Esse é exatamente o teor do princípio deequivalência de Einstein: é impossível dis-cernir, através de experimentos locais -dentro da cabine e em um curto intervalode tempo -, a situação de queda livre emum campo gravitacional da de se estarlivre de qualquer força - ou seja, inercial -no espaço sem gravidade. Essa idéia, queo próprio Einstein qualificaria como amais feliz de sua vida, fornecia uma valio-sa conexão entre situações sem gravidade- onde sua teoria da relatividade era apli-cável - e situações com gravidade. Ele ha-via dado o primeiro passo em sua busca.

O segundo passo não foi dado porEinstein mas sim por um ex-professorseu, o matemático alemão Hermann Min-kowski (1864-1909). Minkowski perce-beu, em 1907, que os efeitos da relativi-dade poderiam ser melhor compreendidosse tempo e espaço fossem consideradoscomo meras facetas de um ente mais fun-damental, um “espaço” físico com quatrodimensões (ou direções independentes) noqual cada observador perceberia de ma-neira diferente, dependendo de seu movi-mento, como essas quatro dimensões seseparam nas três espaciais e uma tempo-ral que experimentamos com nossos sen-tidos. Nascia o conceito de espaço-tempo.

Curiosamente, Einstein não percebeude imediato a profundidade da contribui-ção de Minkowski. Para ele, a reformu-lação de sua teoria em termos de espaço-tempo não passava de uma curiosidadematemática, uma “erudição supérflua”.Alguns anos se passariam antes queEinstein desse a devida importância à idéiade Minkowski. Mas quando finalmente ofez, pelos idos de 1912, mostrou maisuma vez sua genialidade ao vislumbrar apossibilidade de descrever a gravidadeatravés de um espaço-tempo que tivessesua geometria distorcida, curvada pelapresença de matéria e energia. O cerne danova teoria da gravidade estava estabe-lecido.

Três anos ainda se passariam até quea nova teoria tomasse sua forma final.Em 25 de novembro de 1915, Einsteinchega às equações da gravidade que hojelevam seu nome. Na tentativa de encon-trar uma teoria da gravidade que fosseconsistente com a relatividade de 1905,

Einstein acaba por generalizar esta última.Unindo todas as peças do quebra-cabeças,a teoria da relatividade geral, como foichamada - a teoria de 1905 passou a serchamada de relatividade restrita ou espe-cial -, aboliu o conceito de força gravita-cional: agora, uma maçã solta no ar caiem direção ao chão não porque há umaforça puxando-a para baixo mas porquea trajetória de queda é a “mais retilíneapossível” - geodésica - na geometria doespaço-tempo distorcida pela massa daTerra. Do mesmo modo, o Sol não maisexerce uma força sobre a Terra e os outrosplanetas; apenas deforma a geometria àsua volta de modo que os planetas, livresda ação de qualquer força, ao percorreremas trajetórias “mais retas possíveis” nessageometria distorcida, acabam descrevendoas órbitas que observamos (veja Fig. 1).Em consonância com o princípio deequivalência de Einstein, que é incorpo-rado da melhor maneira possível pela rela-tividade geral, os referenciais em quedalivre são os verdadeiros referenciais iner-ciais. Você, leitor(a), sentado(a) em suacadeira ou em pé lendo estas linhas, está,mesmo parado(a), sendo acelerado(a) paracima - ou seja, sendo tirado(a) a todo ins-tante da trajetória que seria inercial - pelaúnica força que atua sobre você no mo-mento: a de contato com a cadeira ou ochão.

O periélio de Mercúrio, o desvioda luz e o GPS

Essa nova maneira de entender a gra-vidade levou a algumas consequênciasimediatas. A primeira delas foi a explica-ção de uma anomalia na órbita do planetamais próximo ao Sol, Mercúrio. Sabia-se,desde os tempos de Le Verrier, que o pontode máxima aproximação ao Sol (periélio)de Mercúrio mudava ligeiramente, a cadavolta, de uma maneira que não podia sercompletamente explicada pela gravitaçãode Newton e os planetas conhecidos. Opróprio Le Verrier usara esse fato para

predizer a existência de um planeta desco-nhecido, ainda mais próximo ao Sol, quefoi batizado de Vulcano. Porém, diferen-temente do que aconteceu no caso de Ura-no e Netuno, esse hipotético planeta nuncafoi encontrado. Quando Einstein chegouna forma final de sua teoria, ele verificouque, embora para campos gravitacionaisfracos ela desse resultados muito parecidoscom os da gravitação universal (como nãopoderia deixar de ser, considerando osucesso da gravitação de Newton), a dife-rença entre as duas se acentuava à medidaque o campo gravitacional fosse mais in-tenso. E essa diferença era exatamente anecessária para explicar satisfatoriamentea anomalia da órbita de Mercúrio, por estese encontrar mais próximo ao Sol e, por-tanto, em uma região de campo gravita-cional mais intenso. A relatividade geraljá nascia com um fato empírico a seu fa-vor.

Mas além de explicar um fato já co-nhecido, Einstein também extraiu outraconsequência imediata de sua teoria: odesvio de raios de luz por campos gravi-tacionais. Desde que se comprovou que aluz era um tipo de onda, em 1801, a idéiade que ela seria afetada pela gravidade deum planeta ou estrela parecia demasiadoespeculativa para ser levada a sério. Issoporque na gravitação de Newton, vigentena época, matéria atrai matéria, mas umaonda não carrega matéria consigo ao sepropagar. Agora, porém, sendo a gravi-dade apenas um efeito colateral da curva-tura do espaço-tempo, sobre o qual tudose propaga - inclusive a luz -, era inevitá-vel que a trajetória da luz também fosseafetada. Einstein calculou qual seria o des-vio de um raio de luz, vindo de uma estreladistante, ao passar rasante ao Sol, o quelevaria a uma mudança na posição apa-rente da estrela quando vista da Terra(Fig. 2). Em 29 de maio de 1919, duasexpedições científicas britânicas, umaenviada a Sobral, no Ceará, e outra à Ilhado Príncipe, na costa africana ocidental,

Figura 1. Representação artística da curvatura do espaço(-tempo) devido à presença doSol e da Terra. (Crédito: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab).

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fotografaram o céu na direção do Sol du-rante um eclipse total, de modo que asestrelas de fundo pudessem ser vistas.Comparando com registros dessas mes-mas estrelas de outra época do ano, quan-do o Sol não estava entre elas e nós, a mu-dança na posição aparente dessas estrelasdevido à presença do Sol pôde ser medidae a previsão feita por Einstein quase quatroanos antes foi confir-mada.

Praticamente danoite para o dia, Eins-tein se tornou umacelebridade mundial,adquirindo, perante ogrande público, umaaura mítica por terdesvendado segredosprofundos do espaço edo tempo. Agora,além desses conceitosserem “relativos”, de-pendentes do estadode movimento do observador, tambémeram “distorcidos” pela presença de ma-téria e energia. Por exemplo, de acordocom a relatividade geral, quanto maisintenso o campo gravitacional, maisdevagar é o “passar do tempo”. Para cam-pos gravitacionais como o da Terra esseefeito é muito pequeno para ser perceptívelem nosso dia-a-dia - o quanto se envelhecemais rápido a cada metro que nos afasta-

mos do chão, um centésimo de segundoa cada três milhões de anos, dificilmenteconvencerá um corretor de imóveis a lhevender a cobertura de um prédio por umpreço mais em conta. Porém, com a tec-nologia avançada e sensível que temoshoje, não só somos capazes de medir essadiferença como ela chega a ser um pro-blema em algumas situações. O Sistema

de Posicionamento Glo-bal (GPS), amplamen-te utilizado hoje emdia por celulares, au-tomóveis, aeronaves,embarcações, entreoutros, faz uso dotempo que sinais derádio emitidos porsatélites orbitando aTerra a 20 mil quilô-metros de altura, a14 mil km/h, levampara chegarem no re-ceptor a ser localiza-

do. Com esses tempos de trânsito dos sinaisobtém-se a distância do receptor até cadaum dos satélites utilizados (no mínimoquatro) e, com essas distâncias, determi-na-se a posição do receptor. Todo o proce-dimento depende de medidas de tempocom precisão - por isso, cada satélitecarrega consigo um relógio atômico. Noentanto, devido à altura (e velocidade) emque orbitam, onde o campo gravitacional

da Terra é cerca de dez vezes mais fracoque aqui na superfície, o tempo para elespassa mais rápido a uma taxa de0,000038 segundos por dia. Quandoconvertido em distância, esse descompassocausaria, ao final de um único dia defuncionamento, uma perda de precisão demais de 10 quilômetros, tornando osistema totalmente inútil. Para evitar isso,essa diferença no fluir do tempo é corri-gida de acordo com o predito pela teoria.Portanto, o bom funcionamento do siste-ma é uma verificação quotidiana da acu-rácia da relatividade geral.

A tempo para o centenário

Outra consequência que Einstein ex-traiu de sua teoria já em 1916 foi a deque as deformações no tecido do espaço-tempo poderiam se propagar, como on-dulações na superfície de um lago. Nasciao conceito de ondas gravitacionais. Comoqualquer outra onda, essas também se-riam capazes de carregar energia, defor-mando, mesmo que minimamente, cor-pos materiais que estivessem em seucaminho - sucessivamente os esticando eespremendo, em direções perpendicularesentre si e perpendiculares à direção depropagação da onda.

Sistemas binários, ou seja, pares decorpos celestes (estrelas, por exemplo)orbitando-se mutuamente, são fontesnaturais de ondas gravitacionais (Fig. 3).Como consequência da decorrente perdade energia, as órbitas desses corpos deve-riam ficar cada vez menores e suas velo-cidades cada vez maiores. Embora esseefeito seja muito pequeno para ser perce-bido na maioria dos casos, em 1974 ofísico Russell Hulse (n. 1950) e o astrofí-sico Joseph Taylor Jr. (n. 1941), ambosnorte-americanos, descobriram um sis-tema binário de estrelas de nêutrons(estrelas muito compactas e densas) quelhes permitiu observar, ao longo dos anosseguintes, os efeitos dessa perda de ener-gia. Embora não fosse possível observardiretamente o portador dessa energia seesvaindo, os efeitos sobre o sistema binárioestavam em perfeito acordo com o que

Figura 2. Representação artística da deflexão de um raio de luz passando nas imediaçõesdo Sol devido à curvatura por ele produzida. (Crédito: Dave Jarvis, http://davidjarvis.ca/dave/gallery).

No GPS há um tempo detrânsito para a informação ir do

equipamento aos satélitesdistantes 20 mil quilômetros dasuperfície terrestre. Contudo,

devido à distância da Terra e àvelocidade dos satélites, o

tempo para eles passa 0,000038segundos mais devegar a cadadia. Sem a correção relativística,a perda de precisão do sistemachegaria a 10 quilômetros ao

final de um único dia

Figura 3. Representação artística dasondas gravitacionais produzidas por umsistema binário. (Crédito: LIGO/T. Pyle).

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seria esperado se esse portador fosse ondasgravitacionais emitidas pelo sistema,como predito pela relatividade geral. Poressa descoberta, Hulse e Taylor receberamo Prêmio Nobel de Física de 1993 e maisuma predição da relatividade geral se con-firmava. Ou não?

Embora as observações de Hulse e Tay-lor fossem um forte indício a favor daexistência de ondas gravitacionais, eram,ainda assim, um indício indireto. Era neces-sário detectar algumas dessas ondas parase ter o veredito final. Essa tarefa, noentanto, não é fácil. Tipicamente, ondasgravitacionais que chegam na Terra pro-duzem distensões e compressões que,mesmo para a própria Terra, não passammuito do tamanho de um núcleo atômico(que já é cerca de 100 mil vezes menor queo átomo). E esse efeito é proporcional aotamanho do corpo; ou seja, ainda menorpara qualquer aparelho de medida cons-truído na Terra.

Em 1999 é inaugurado, nos EstadosUnidos, o Laser Interferometer Gravitatio-nal-wave Observatory (LIGO), constituídode dois interferômetros (dispositivo quedetecta mínimas mudanças de comprimen-to usando técnicas de interferência de luz),construídos nos estados de Washington eLouisiana (Fig. 4). Cada um dessesinterferômetros possui dois “braços” per-pendiculares de 4 quilômetros cada, comespelhos em suas extremidades. A idéiabásica é que a passagem de uma onda gra-vitacional pela Terra poderia alterar demaneira diferente o comprimento de cadaum dos braços, de modo que um raio deluz (laser, no caso) percorrendo cada umdesses braços o faria em tempos diferentes.Essa diferença de tempo acarretaria umamudança no padrão de interferência entreraios percorrendo os diferentes braços, oque poderia ser detectado. Porém, de 1999

a 2010, quando o experimento foi inter-rompido para se fazer melhorias técnicas,nada foi detectado.

Depois de completadas as melhorias doagora advanced LIGO (aLIGO), projetadopara ser mais de dez vezes mais sensívelque sua versão anterior, o primeiro perío-do oficial de obser-vações se iniciaria emmeados de setembro de2015. Alguns dias an-tes, porém, no dia 14de setembro, durantetestes em que os inter-ferômetros estavamfuncionando plena-mente, uma surpresa:a primeira detecção deondas gravitacionais da história da huma-nidade! E por um desses caprichos, bem atempo de celebrar o centenário da teoriaque previu sua existência (embora adivulgação da detecção só tenha ocorridomeses depois, em 11 de fevereiro de 2016).

De setembro de 2015 a janeiro de2016 mais dados foram colhidos pelosinterferômetros e não faltam rumores deque mais detecções foram feitas e logo se-rão tornadas públicas. Vivemos um mo-mento histórico no qual uma nova janelade observação para o Universo foi aberta.

Uma lente para o lado escuro douniverso

A relatividade geral mudou dramati-camente a maneira como vemos o univer-so. Logo em 1917, Einstein percebeu quesua teoria não favorecia a idéia de que ouniverso fosse estático: ele deveria estar seexpandindo ou se contraindo, de modo queno passado ele deveria ter sido bem diferentedo que é hoje, possivelmente tendo até tidoum início. Era a primeira vez que essa ques-tão, que sempre instigou a mente humana,

podia ser abordada de uma maneira cientí-fica. Mas mesmo Einstein, com sua genia-lidade, não era imune aos preconceitos desua época e ele resolveu modificar sua teoria- introduzindo o que ficou conhecido comoconstante cosmológica - de modo que ela seconformasse com um universo estático e

eterno. Quando em1929 o astrônomoamericano EdwinHubble (1889-1953)publicou o resultadode suas observaçõesmostrando que as ga-láxias estavam se afas-tando umas das ou-tras - ou seja, o uni-verso estava de fato

em expansão -, Einstein abandonou a cons-tante cosmológica, chamando-a de o maiorerro de sua vida. Hoje sabemos, graças adados coletados por telescópios terrestres eespaciais, que não apenas nosso universoestá se expandindo desde há cerca de 13,8bilhões de anos mas que, surpreenden-temente, nos últimos 6 bilhões de anos oestá fazendo de maneira cada vez mais rápi-da. Interpretado à luz da relatividade geral,esse fato significa que cerca de 70% doconteúdo de energia do universo está emuma forma exótica, furtiva, diferente dequalquer coisa que já detectamos em nossosmais avançados laboratórios de física departículas. Não conseguimos “vê-la” massua existência é denunciada pelo seu efeitogravitacional sobre a expansão do universo- por isso, mesmo sem se conhecer suaidentidade, foi batizada de energia escura. Omesmo acontece com outros 25% doconteúdo de energia do universo: atravésde seus efeitos gravitacionais, curvandoraios de luz de galáxias distantes einfluenciando a expansão do universo,sabemos que existe cinco vezes mais maté-ria - de um tipo ainda desconhecido, deno-minada matéria escura - do que podemos“ver” diretamente. Enquanto nossos maisavançados aceleradores e detectores departículas, como o Large Hadron Collider(LHC), sob a fronteira franco-suíça, bus-cam incansavelmente, mas ainda semsucesso confirmado, por indícios de partí-culas além das que são previstas pelo modelopadrão das partículas elementares - que dãoconta de apenas 5% do que existe no uni-verso -, a relatividade geral abre uma janelapara os restantes 95% dos constituintes danatureza.

Buracos negros e o início douniverso

Apesar de tudo que a relatividade ge-ral possibilitou que apreendêssemos sobreo universo em grandes escalas, é no con-

Figura 4. Foto aérea do laboratório LIGO localizado em Livingston, no estado da Louisi-ana, EUA.

Ondas gravitacionais incidentesna Terra provocam no planetadistensões e compressões daordem de um núcleo atômico.

Sua detecção, em 2015, chegoubem a tempo de coroar a

acuidade da teoria geral darelatividade em seu centésimo

aniversário.

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texto estelar que surge sua consequênciamais fantástica. O ciclo de vida de umaestrela pode ser bastante complicado etempestuoso, dependendo de sua massa,mas é certo que, em algum momento, asreações de fusão nuclear que ocorrem emseu interior, que geram calor e pressão su-ficientes para sustentar sua própria gravi-dade, cessam ou se tornam ineficientes.Quando chega esse momento para estrelasque têm cerca de 10 vezes ou mais massaque o Sol, o núcleo da estrela colapsa sobsua própria gravidade, gerando ondas dechoque que ejetam suas camadas maisexternas em uma grande explosão - umasupernova. Se a massa do objeto remanes-cente desse processo de “morte estelar” formaior do que cerca de 3 massas solares,então nada é capaz de impedir que toda essamatéria colapse indefinidamente até seconcentrar em uma região de volumeefetivamente nulo! A curvatura provoca-da por essa singularidade no espaço-tempoé tão grande que qualquer coisa que seaproxime muito, inclusive a luz, é inevita-velmente tragada em sua direção. Essaregião em torno da singularidade de ondenem mesmo a luz consegue escapar échamada de buraco negro e a fronteira ima-terial que a delimita é chamada de horizontede eventos.

Não podemos literalmente ver umburaco negro - já que nada escapa de seuinterior - mas sua presença pode serdenunciada pelo efeito que provoca namatéria e na luz que se encontre ou passe

por suas imediações. É desse modo quesabemos, por exemplo, que um forte can-didato a buraco negro, com cerca de4,1 milhões de massas solares, encontra-se no centro de nossa própria galáxia. Elonge de ser um caso isolado, hoje acredi-ta-se que a maioria das galáxias têm umburaco negro gigante em seu centro,alguns com até bilhões de massas solares.Em uma escala bem mais modesta, bura-cos negros de algumas massas solares po-dem ser identificados pela emissão deraios-X da matéria sendo engolida, antesde cruzar o horizonte de eventos, “cani-balizada”, por exemplo, de alguma estrelavizinha muito próxima - como no sistemachamado Cygnus X-1 (Fig. 5). Embora opróprio Einstein aparentemente nunca te-nha aceitado a existência desses objetosexóticos, frutos de sua própria teoria, hojeem dia é inconcebível acomodar todas asobservações astronômicas sem fazer usoda existência de buracos negros.

Mas para os interessados em questõesfundamentais da natureza, os buracos ne-gros têm uma importância maior do quea de apenas explicar dados observacionais.Entender as singularidades escondidas emseu interior é uma questão que temfrustrado gerações. No escopo da relati-vidade geral, as singularidades são como“bordas” do espaço-tempo, o “fim da li-nha” para quem ou o que a elas se dirigi-rem. No entanto, acredita-se que umateoria da gravidade “melhor” que a relati-vidade geral, em que os princípios da

Sugestão de leitura

Abraham Pais, Sutil é o Senhor (Nova Fron-teira, Rio de Janeiro, 1995).

Bertrand Russell, ABC da Relatividade (Zahar,Rio de Janeiro, 2005).

Simon Singh, Big Bang (Record, Rio de Ja-neiro, 2006).

Kip Thorne, Black Holes and Time Warps(W.W. Norton & Company, New York,1994).

George Matsas e Daniel Vanzella, BuracosNegros: Rompendo os Limites da Ficção(Vieira & Lent, Rio de Janeiro, 2008).

mecânica quântica sejam levados emconta de maneira totalmente consistente- uma teoria de “gravidade quântica” -,seja capaz de revelar a verdadeira estru-tura das singularidades. Embora esteja-mos protegidos de qualquer consequênciadessas singularidades nos mantendo dolado de fora do horizonte de eventos, acre-dita-se que há cerca de 13,8 bilhões deanos uma singularidade tenha sido o pon-to de partida para a subsequente expansãodo universo. Portanto, guardada no inte-rior dos buracos negros pode estar a chavepara o mais antigo dos mistérios: a origemdo universo.

À espera de um novo paradigma

Cem anos depois de sua formulação,a relatividade geral resiste como sendo aúltima teoria clássica ainda utilizada, comsucesso inigualado, para descrever umainteração fundamental. Assim comoaconteceu com a gravitação universal deNewton com o advento da relatividaderestrita, acreditamos que a relatividadegeral deva ser substituída por uma versãoque se adeque ao paradigma introduzidopela física quântica. Mas a busca por essateoria de “gravidade quântica” - o quequer que isso seja -, que é quase tão antigaquanto a própria relatividade geral, temfrustrado os mais brilhantes físicos teó-ricos de cada geração - inclusive o próprioEinstein. Novamente a exemplo da gravi-tação newtoniana e da relatividade restri-ta, em que ambos tiveram que ceder parase chegar a uma teoria mais profunda,talvez não baste tentar construir uma teo-ria da gravidade sobre os princípios quân-ticos como os conhecemos; talvez sejanecessária uma reformulação de ambosos lados. Na carência de dados experimen-tais para indicar o caminho, não será umagrande surpresa se a relatividade geralcompletar seu segundo centenário tão emforma quanto completa o seu primeiro.Certamente, ela continuará sendo umavaliosa ferramenta na exploração douniverso.

Figura 5. Representação artística de Cygnus X-1, um buraco negro com cerca de 14,8massas solares que gira em torno de seu próprio eixo cerca de 800 vezes por segundo, acerca de 6 mil anos-luz da Terra. O buraco negro atrai matéria de sua companheiraestelar, formando um disco que emite raios-X - detectados por satélites e observatóriosconstruídos para este fim -, antes de finalmente ser engolida ou ejetada ao longo do eixode rotação do buraco. (Crédito: NASA/CXC).

Teoria da relatividade geral