Em 1905, Albert Einstein virou o mundo da física teórica de cabeça para baixo ao publicar um trabalho na disciplina que mais tarde seria chamada de teoria da relatividade especial. Ela mostrou que o espaço e o tempo não podem ser considerados entidades absolutas: o tempo pode acelerar ou desacelerar, comprimentos padrão podem se contrair, as massas podem aumentar.
E, o resultado mais famoso, a equivalência da massa de energia, e sua proporção é expressa por meio da equação E = mc².
Ninguém duvida do gênio de Einstein, que formulou a relatividade geral, mas é geralmente aceito que, se ele não tivesse publicado sua teoria em 1905, algum outro físico logo o teria feito em seu lugar.
"Cruz de Einstein" - quatro imagens de um quasar distante, obtidas devido ao fato de que a luz dele se curva ao redor da galáxia localizada mais perto de nós, funcionando como uma lente gravitacional.
Não foi até 1915 que Einstein demonstrou sua genialidade ao publicar sua teoria da relatividade geral. Ela argumentou que a curvatura do espaço-tempo é proporcional, e também ocorre devido à "densidade de energia-momento", ou seja, a energia e o momento associados a qualquer matéria em uma unidade de volume do espaço.
Esta afirmação foi confirmada quando coincidiu com observações da órbita incomum de Mercúrio e com a luz das estrelas curvando-se ao redor do sol.
Nos últimos cem anos, a relatividade geral foi testada com incrível precisão e resistiu ao teste todas as vezes. A relatividade geral tornou-se um salto tão gigantesco que se pode dizer que, se Einstein não a tivesse formulado, ela poderia permanecer desconhecida por muito tempo.
O caminho para a relatividade geral
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Em 1907, Einstein teve o "pensamento mais feliz de sua vida" ao sentar-se em uma cadeira no escritório de patentes em Berna:
Se uma pessoa cai livremente, não sente seu peso.
Ela o levou à formulação do "princípio da equivalência", que afirma ser impossível distinguir entre o referencial acelerado e o campo gravitacional. Por exemplo, se você estiver na Terra, a sensação será exatamente a mesma como se você estivesse em uma nave espacial se movendo a uma aceleração de 9,81 m / s² - com a aceleração da gravidade na Terra.
Este foi o primeiro grande passo para a formulação de uma nova teoria da gravidade.
Einstein acreditava que "toda a física é geometria". Ele quis dizer que o espaço-tempo e o Universo podem ser pensados em termos geométricos. A conclusão mais surpreendente da relatividade geral, a natureza dinâmica do tempo e do espaço, aparentemente levou Einstein à necessidade de repensar o espaço-tempo "geométrico".
Einstein conduziu uma série de experimentos mentais interessantes comparando observações feitas por observadores em sistemas de referência inerciais e rotativos.
Estabeleceu que, para um observador em um referencial rotativo, o espaço-tempo não pode ser euclidiano, isto é, como aquela geometria plana que todos estudamos nas escolas. Precisamos introduzir o "espaço curvo" em nosso raciocínio para dar conta das anomalias previstas pela relatividade. A curvatura se torna o segundo pressuposto mais importante para apoiar sua relatividade geral.
Para descrever o espaço curvo, Einstein voltou-se para um trabalho anterior de Bernard Riemann, um matemático do século XIX. Com a ajuda de seu amigo Marcel Grossmann, também matemático, Einstein passou vários anos tediosos estudando a matemática dos espaços curvos - o que os matemáticos chamam de "geometria diferencial". Einstein observou que "em comparação com a compreensão da gravidade, a relatividade especial parecia uma brincadeira de criança".
Einstein agora tinha o aparato matemático para levar a teoria à sua conclusão. O princípio de equivalência afirmava que um referencial acelerado é equivalente a um campo gravitacional. Como resultado de seus estudos em geometria, ele acreditava que o campo gravitacional era uma manifestação simples do espaço-tempo curvo. Portanto, ele poderia mostrar que os quadros de referência em aceleração eram espaços não euclidianos.
Desenvolvimento
O terceiro passo mais importante foi a eliminação das dificuldades na aplicação da relatividade geral à gravidade newtoniana. Na teoria da relatividade especial, a constância da velocidade da luz em todos os referenciais e a afirmação de que a velocidade da luz é a velocidade máxima atingível contradiziam a teoria da gravidade de Newton, que postulava a instantaneidade da ação da gravidade.
Simplificando, a gravidade newtoniana dizia que se o sol fosse removido do centro do sistema solar, o efeito gravitacional desse evento seria sentido instantaneamente na Terra. Mas a SRT diz que mesmo o efeito do desaparecimento do Sol se moverá na velocidade da luz.
Einstein também sabia que a atração gravitacional de dois corpos é diretamente proporcional às suas massas, o que decorre de F = G * M * m / r² de Newton. Portanto, a massa determinava claramente a força do campo gravitacional. SRT diz que a massa é equivalente à energia, então a densidade de energia-momento também deve determinar a força da gravidade.
Como resultado, as três principais premissas que Einstein usou para formular sua teoria foram:
1. Em referenciais rotativos (não inerciais), o espaço é curvo (não euclidiano).
2. O princípio da equivalência diz que os referenciais acelerados são equivalentes aos campos gravitacionais.
3. A equivalência de massa e energia segue de SRT, e da física newtoniana segue que a massa é proporcional à força da gravidade.
Einstein concluiu que a densidade de energia-momento cria, e é proporcional, à curvatura do espaço-tempo.
Não se sabe quando ele teve seu "insight", quando ele foi capaz de resolver esse quebra-cabeça e relacionar massa / energia com a curvatura do espaço.
De 1913 a 1915, Einstein publicou vários artigos, enquanto trabalhava na conclusão da relatividade geral. Erros foram encontrados em algumas das obras, o que levou Einstein a perder tempo com distrações desnecessárias no raciocínio teórico.
Mas o resultado final, que a densidade de energia-momento dobra o espaço-tempo, como uma bola de boliche é uma folha esticada de borracha, e que o movimento da massa em um campo gravitacional depende da curvatura do espaço-tempo é, sem dúvida, as maiores suposições feitas pela inteligência humana.
Handicap
Há quanto tempo estaríamos entendendo a gravidade se não fosse o gênio de Einstein? É possível que tenhamos que esperar por isso por muitas décadas. Mas em 1979, o mistério certamente seria revelado. Naquele ano, os astrônomos descobriram "quasares gêmeos", QSO 0957 + 561, o primeiro quasar a observar lentes gravitacionais.
Esta surpreendente descoberta só pode ser explicada pela curvatura do espaço-tempo. Por ele, provavelmente teriam dado o Prêmio Nobel, se não fosse o gênio de Einstein. Ou talvez ela ainda devesse receber.
