A teoria da relatividade mudou tudo, mas levou uma quantidade de tempo correspondente.
A detecção de ondas gravitacionais pelo Laser Interferométrico Laboratório de Ondas Gravitacionais LIGO ocorreu exatamente cem anos depois que Einstein formulou sua teoria geral da relatividade em um artigo onde a possibilidade da existência de ondas gravitacionais foi matematicamente descrita. Ou pelo menos essa é a história que foi apresentada ao público (incluindo a sua). E em alguns aspectos até corresponde à realidade.
No entanto, a realidade de como a relatividade progrediu a ponto de as pessoas reconhecerem que as ondas gravitacionais parecem existir e podem ser detectadas, acabou sendo muito mais complexa do que a narrativa descrita acima. Na Nature Astronomy desta semana, um grupo de historiadores da ciência fornece todos os detalhes de como viajamos desde o início da relatividade até o Laboratório de Ondas Gravitacionais Interferométricas a Laser do LIGO. E, no processo, os historiadores mostram que as ideias sobre revoluções científicas que levam a mudanças inesperadas e radicais podem às vezes se tornar insustentáveis.
Seu paradigma mudou?
O conceito popular de revolução científica (na medida em que existe) foi exposto por Thomas Kuhn. Kuhn descreveu o processo pelo qual os dados movem gradualmente uma teoria existente em direção à crise, permitindo que quase todos vejam que ela não funciona mais. Após um período de crise, ocorre uma revolução e uma nova teoria aparece. A capacidade da teoria de resolver todos os problemas que precipitaram o início da crise rapidamente ganha apoio, e um novo período da ciência se inicia, baseado na teoria ou "baseado em um paradigma", como diz Kuhn.
Em certo nível, tudo isso se encaixa perfeitamente com a história da relatividade. As propostas de Einstein criaram de fato um novo paradigma de espaço-tempo curvo e resolveram vários problemas de gravidade de Newton, e também receberam rapidamente confirmação experimental e foram aceitas. Porém, menos de um ano depois, Einstein publicou um artigo que usava um novo paradigma para a geração de ondas gravitacionais. O artigo acabou por estar errado, mas depois de alguns anos ele publicou uma versão revisada. Essa revolução, que marcou o início do período das descobertas, foi concluída um século depois.
No entanto, os historiadores mencionados - Alexander Blum, Roberto Lalli e Jürgen Renn - queriam atacar completamente essa parada de mudança de paradigma. E fazem isso concentrando-se nas implicações da formulação da relatividade geral de Einstein.
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(Deve-se notar que esta abordagem também não apóia o modelo de revolução de Kuhn. As pessoas trabalharam bem dentro da estrutura do conceito de Newton mesmo depois que seus problemas se tornaram aparentes, e também não houve um período de crise óbvio, mesmo depois que Einstein formulou sua teoria da relatividade geral Em alguns aspectos, a relatividade geral só resolveu o problema que o próprio Einstein criou quando propôs a relatividade especial).
Fazer ondas
Para começar, deve ser dito que as ondas gravitacionais não surgiram diretamente do fato de que Einstein estava trabalhando nelas. Aparentemente, Einstein não pensou muito sobre a existência deles até que Karl Schwarzschild e sua fama no rádio o pressionaram a fazê-lo. Houve um erro em seu primeiro artigo sobre o assunto, e a versão corrigida só funcionou se as ondas se propagassem dentro do cilindro. Embora este artigo forneça a base para as afirmações de que foi Einstein quem previu a existência de ondas gravitacionais, esta foi, sem dúvida, uma solução aproximada em um ambiente simplificado.
E foi aqui que Einstein deixou esse problema para trás. Seu foco muda e ele tenta combinar sua versão da gravidade com o eletromagnetismo. Poucas pessoas estavam prontas para enfrentar essa questão na época em que a mecânica quântica estava ganhando terreno e a Primeira Guerra Mundial interrompeu o trabalho da comunidade científica e voltou a atenção de seus membros para a física aplicada. De acordo com esses historiadores da ciência, muito do trabalho no campo da teoria da relatividade que foi realizado durante esse período se concentrou na tradução de sistemas físicos existentes e bem descritos da linguagem da mecânica newtoniana para a linguagem da teoria da relatividade. Muito menos atenção tem sido dada às tentativas de determinar quais possibilidades únicas de compreensão do universo são fornecidas pela teoria da relatividade.
A falta de uma memória profunda do que a relatividade significa foi agravada por problemas como os erros matemáticos de Einstein. Quando conceitos absurdos como a singularidade apareceram na matemática, não estava claro o que eles estavam tentando nos dizer dessa maneira. Essas abstrações têm alguma base na realidade? Outra abordagem matemática poderia oferecer uma solução mais inteligente? Ou a teoria da relatividade é limitada no que pode explicar com sucesso? Na ausência de um entendimento profundo dessa teoria, provavelmente será difícil dizer qual das opções a seguir é mais provável.
Como as ondas gravitacionais podem emergir da equação correta, havia pouco interesse em determinar se sua existência era necessária, e ainda menos interesse estava na questão de como podemos capturá-las.
Avanço
Mas como essa área conseguiu sair da estagnação? Na década de 1950, a física recebeu muito apoio do estado por causa de seus sucessos durante a guerra e, como resultado, a comunidade de pesquisa cresceu. Além disso, estava ficando claro que os efeitos gravitacionais seriam necessários para entender nosso corpus de dados em expansão que descreve o universo e sua evolução.
A comunidade da relatividade tem recebido apoio da crescente internacionalização da ciência, e conferências anuais têm sido organizadas sobre toda a gama de tópicos nesta área. Essa comunidade mais ampla chegou a um consenso de que as questões físicas restantes sobre a teoria da relatividade devem ser abordadas se cada grupo individual de pesquisadores quiser ter confiança no trabalho que estão fazendo. Resolver os problemas associados à teoria da relatividade também era considerado um pré-requisito para integrá-la à mecânica quântica, e muitos estavam interessados em trabalhar neste problema.
A existência de ondas gravitacionais era um desses problemas e, portanto, começaram a chamar a atenção. A descoberta principal veio em uma conferência onde pesquisadores (incluindo Richard Feynman) foram capazes de entender como a energia contida nas ondas gravitacionais poderia ser trocada por formas de energia mais bem conhecidas no resto do universo. Outro pesquisador conseguiu fazer uma descrição matemática das ondas eletromagnéticas e depois modificá-la para descrever as ondas gravitacionais. As estruturas matemáticas resultantes se tornaram a base para o entendimento de que as ondas gravitacionais são oscilações no espaço-tempo, e este ponto de vista persiste até os dias de hoje.
Insurreição
Tudo isso, assim como o progresso em outras áreas da teoria da relatividade, criou uma base teórica sólida. Bloom, Lally e Rennes acreditam que, na época em que a relatividade geral foi apresentada pela primeira vez, as pessoas pensavam em termos das implicações da relatividade para outras teorias que usavam para entender o universo. Segundo os historiadores, no início dos anos 1960, a teoria da relatividade deveria receber crédito por estar diretamente relacionada ao comportamento do universo, e nenhuma outra teoria era mais necessária. Isso criou a base para a crença de que as ondas gravitacionais, sendo uma consequência natural dessa teoria, devem ter algum tipo de manifestação física.
Esse entendimento também foi necessário para criar um modelo que nos permitisse falar sobre como deveriam ser as ondas gravitacionais, a partir dos eventos que as geraram. E fomos capazes de separar eventos reais de ruído assim que tínhamos um detector como o LIGO com sensibilidade suficiente para detectá-los.
Este processo de 40 anos não se encaixa bem com as revoluções de que Kuhn está falando. Não houve crise e não houve período de pesquisa frenética no momento em que as pessoas tentaram desenvolver uma nova teoria que pudesse resolver as contradições óbvias características de seu predecessor insustentável. No entanto, esses historiadores acreditam que há uma coisa sobre a qual Kuhn estava certo: aquelas pessoas que estão profundamente imersas no mundo relativista têm uma visão fundamentalmente oposta do universo, e será difícil para elas compartilhar suas visões com aqueles que vivem no mundo newtoniano.
Kuhn viu esse problema como essencialmente um problema de linguagem; termos antigos adquirem novos significados em um novo paradigma. No entanto, os historiadores acima parecem acreditar que tais mudanças de perspectiva são necessárias para qualquer tipo de progresso científico. Até que as pessoas possam entrar na realidade de uma nova teoria e apreciar todas as suas consequências, será difícil para elas compreenderem suficientemente seu significado e fazer previsões - e as mudanças na linguagem são apenas um subproduto.
John Timmer
