Sombra de uma Dúvida: O Eclipse de 1919 que confirmou a Teoria da Relatividade de Einstein Daniel Kennefick Princeton University Press (2019)
Século da Gravidade: Do Eclipse de Einstein às Imagens dos Buracos Negros Ron Cowen Harvard University Press (2019)
Guerra de Einstein: Como a Relatividade Triunfou em Meio ao Vicioso Nacionalismo da Primeira Guerra Mundial Matthew Stanley Dutton (2019)
Em 1916, Albert Einstein publicou a sua teoria geral da relatividade em todos os detalhes matemáticos. Isso abriu a janela sobre uma estrutura radicalmente nova para a física, abolindo noções estabelecidas de espaço e tempo e substituindo a formulação de Newton das leis da gravidade. A revolução de Einstein foi a de mudar o curso da ciência; mas nos anos imediatamente após a publicação, não havia nenhuma evidência observacional definitiva de que a sua teoria estava correta.
Enter Arthur Stanley Eddington. Um astrônomo interessado na teoria de Einstein devido às suas amplas implicações para a astrofísica e cosmologia, Eddington assumiu a tarefa de prová-la. Ao aproveitar um eclipse solar total, ele argumentou que a deflexão, ou flexão, da luz pela gravidade do Sol poderia ser medida. Este era um teste crítico, porque a teoria de Einstein previa uma deflexão precisamente o dobro do valor obtido usando a lei da gravitação universal de Isaac Newton. O eclipse necessário veio há 100 anos atrás, em 1919. Eddington está agora para sempre associado a duas expedições para vê-lo: de Sobral no norte do Brasil, e da ilha do Príncipe ao largo da costa da África Ocidental. Esses empreendimentos marcantes formam o núcleo de três livros em comemoração ao centenário: No Shadow of a Doubt do físico Daniel Kennefick, Gravity’s Century do jornalista científico Ron Cowen, e o historiador científico Matthew Stanley’s Einstein’s War.
A teoria de Einstein, oito anos de criação, surgiu de insights que ele havia desenvolvido após publicar sua teoria da relatividade especial em 1905. Um dos efeitos previstos pela nova teoria foi que os raios de luz passando perto de um corpo maciço, como uma estrela, deveriam ser dobrados pelo seu campo gravitacional. Este efeito tinha sido previsto qualitativamente usando a teoria da gravidade de Newton. Tantalizantemente, o próprio Newton tinha escrito na sua opus Opus Opticks de 1704: “Os corpos não agem sobre a Luz à distância, e pela sua acção dobram os seus Raios…?” Mas não há evidências de que ele tenha calculado a magnitude do efeito (o primeiro cálculo completo foi publicado pelo matemático alemão Johann Georg von Soldner, em 1804).
A teoria da gravidade de Newton não formulou a gravidade como consequência do espaço curvo. Essa foi a inovação de Einstein. E quando ele calculou o efeito, confirmou que a luz é desviada (como na teoria newtoniana), mas através do espaço curvo. É esta curvatura que duplica a deflexão.
Condições de teste
Einstein primeiro transmitiu publicamente a teoria geral da relatividade à Academia Prussiana de Ciências em 1915. A Primeira Guerra Mundial já estava então bem encaminhada, em todo o seu horror. No ano seguinte, apesar da interrupção dos canais de comunicação em tempo de guerra, Eddington e o colega astrônomo Frank Watson Dyson – então diretor do Observatório de Cambridge e Astronomer Royal, respectivamente – conseguiram obter os trabalhos publicados por Einstein. Dyson imediatamente percebeu que o eclipse solar total em 1919 provaria ser um teste ideal.
Durante este eclipse, o Sol sentar-se-ia em frente aos Hyades, um aglomerado de estrelas brilhantes na constelação de Taurus. Assim, na totalidade, muitas estrelas seriam visíveis perto do disco eclipsado. (Isto era fundamental porque o efeito de flexão da luz previsto por Einstein é maior para as estrelas observadas perto do Sol). As posições das estrelas em relação ao Sol podiam ser registradas e medidas em placas fotográficas, e depois comparadas com placas de referência que mostravam as estrelas quando o Sol não estava nem perto do campo de visão. Quaisquer deslocamentos aparentes, causados pelo campo gravitacional do Sol, poderiam então ser calculados. Quanto mais estrelas medidas, melhor seria a chance dos observadores corrigirem os erros sistemáticos e reduzirem os aleatórios.
Foi essa a idéia. Mas havia muitos obstáculos práticos a superar, tanto nos aspectos técnicos da realização das observações, como na logística expedicionária. O caminho do eclipse da totalidade passou do norte do Brasil através do Atlântico para a África Ocidental, tornando impossível montar uma expedição da Grã-Bretanha até que as hostilidades tivessem cessado. O Armistício em novembro de 1918 deixou tempo suficiente para colocar o plano em ação. Dyson, no comando geral das expedições, permaneceu na Inglaterra. Eddington viajou para o Príncipe; Andrew Crommelin, que trabalhava no Observatório Real de Greenwich, Londres, foi para Sobral.
Os detalhes das expedições duplas são bem servidos por No Shadow of a Doubt. Meticulosamente pesquisado e vividamente escrito, o relato certamente se tornará o trabalho de referência padrão neste fascinante exemplo de ‘Big Science’. Eddington, revela Kennefick, teve uma sorte terrível. Conhecido pelo mau tempo no Príncipe, ele conseguiu fazer menos medições do que esperava. Então, uma proposta de ataque de uma companhia de navios a vapor significou que ele não podia ficar no Príncipe o tempo suficiente para medir as posições das estrelas nas suas placas no local, e teve que fazer a análise depois de ter regressado a Inglaterra.
Crommelin tinha condições muito melhores no Brasil. Apesar dos problemas técnicos com equipamentos que deixaram muitas placas muito embaçadas, suas medições foram decisivas, e estavam visivelmente mais próximas da previsão de Einstein do que do Newtonian. Os resultados foram anunciados coletivamente em novembro daquele ano, em uma reunião especial conjunta da Royal Society e da Royal Astronomical Society em Londres. O evento foi notícia de primeira página em todo o mundo.
Questões e confirmação
Que a conclusão inicial da Dyson, Eddington, Crommelin e suas equipes foi posteriormente confirmada por muitas outras experiências de eclipse. No entanto Eddington foi acusado por alguns erros de manipulação das medidas do eclipse. O título de Kennefick, No Shadow of a Doubt, é assim tanto um trocadilho como uma declaração de intenções para dissipar estas suspeitas. Kennefick discute as críticas com algum detalhe. Posso acrescentar alguns breves pontos.
Um é que Eddington teve que adoptar um Plano B ao analisar os dados do Príncipe, depois da desgraça ter forçado a sua mão; mas, na minha opinião, ele não fez nada de irrazoável. Todas as medidas do eclipse de 1919 são tabuladas (em F. W. Dyson et al. Philos. Trans. R. Soc. Lond. A 220, 291-333; 1920). É simples, e também bastante instrutivo, analisá-las usando técnicas estatísticas modernas. Eu fiz isso, e não encontrei nenhuma evidência de que Eddington “cozinhou os livros”. É uma grande infelicidade que nenhum dos pratos originais de qualquer das expedições sobreviva: caso contrário, poderia ter sido possível medí-los usando tecnologia mais sofisticada. Os pratos de Eddington perderam-se depois da sua morte em 1944 – a sua irmã pode tê-los deitado fora quando foi forçada a sair da casa de Cambridge que eles tinham partilhado. As placas de Crommelin parecem ter desaparecido no decurso de sucessivas reorganizações no Observatório Real.
O século da gravidade concentra-se mais nas ramificações mais amplas da teoria de Einstein em cosmologia e astrofísica, incluindo buracos negros e ondas gravitacionais. Com menos de 200 páginas, o livro de Cowen é uma leitura agradável e descontraída, um acréscimo bem-vindo a uma prateleira cheia de livros sobre estes tópicos.
Cowen também vai para a encarnação de Einstein como um ícone cultural. O ‘ano milagroso’ de 1905, quando publicou artigos sobre o movimento browniano e o efeito fotoelétrico, bem como sobre a relatividade especial, fez de Einstein uma estrela da física. As expedições do eclipse de 1919 fizeram muito mais, consolidando sua reputação entre os físicos e transformando-o em uma superestrela internacional. No entanto, a meu ver, pelo menos parte da razão para essa súbita celebridade é que a expedição veio logo após o fim da guerra. Além disso, foi uma experiência britânica testando as idéias de um teórico alemão. Após quatro terríveis anos de morte e destruição, talvez as pessoas tenham encontrado no triunfo de Einstein um símbolo de algum tipo de reconciliação.
Stanley partilha essa visão na Guerra de Einstein. Detalhado e legível, o livro complementa No Shadow of a Doubt como um relato das expedições do eclipse e seu pano de fundo político. É especialmente revelador sobre o trabalho científico e a vida privada de Einstein, que conduziu aos importantes acontecimentos de 1919 – particularmente ao mostrar como estes foram afectados pela Primeira Guerra Mundial.
Um dos fatos interessantes do relato de Stanley é que Einstein tinha feito uma punhalada no cálculo da curvatura da luz em 1911, antes de ter formulado a teoria geral completa da relatividade. O seu resultado foi precisamente o mesmo que o valor Newtoniano. Fiquei imaginando o que teria acontecido à sua reputação se medidas tivessem sido tomadas na época. Teriam sido um revés? Ou será que apenas o teriam levado mais a produzir a teoria completa, com o seu factor crucial de dois?