Teoria Geral da Relatividade (TRG): ciência básica saciando fome profunda de conhecimento e semeando revoluções tecnológicas

Prof. Manoel Messias Ferreira Jr (Programa de Pós-graduação em Física – UFMA) - pesquisador nível 1D do CNPq, colaborador do Blog

O ano de 2015 marca o centenário da Teoria da Relatividade Geral  (TRG) para a Gravitação, formulada por Albert Einstein, inicialmente em 1915. A TRG é uma construção teórica de elevada inovação, onde a geometria, álgebra e física estão interconectadas através princípios estéticos e físicos. Nesta, a força newtoniana gravitacional é substituída pela noção de movimento num espaço curvo, segundo trajetórias “naturais” no espaço-tempo, chamadas de geodésicas.  Na TRG, portanto, não se fala de forças como agentes motores, fala-se de curvatura do espaço,  o que representa uma substancial ruptura com a lógica newtoniana. O espaço é distorcido pelo conteúdo de matéria e energia que contém. Podemos afirmar, pictoricamente, que os planetas orbitam em torno do Sol porque a massa deste astro deforma o espaço a sua volta, causando uma curvatura capaz de mantê-los ao seu redor.

Trata-se de uma teoria belíssima, de forte teor geométrico-estético, cujas leis essenciais, as equações de campo de Einstein, estão escritas em linguagem tensorial. A TRG é baseada no famoso princípio da equivalência, que estabelece a indistinguibilidade entre um referencial em queda livre em um campo gravitacional e um referencial inercial,  ou  entre um referencial acelerado e outro parado em campo gravitacional. Com este princípio genial, Einstein estendeu o princípio da relatividade de 1905 para todos os referenciais, inerciais e não inerciais. 

As equações tensoriais de Einstein levam a um sistema acoplado de equações diferenciais parciais, cuja solução é um quase sempre uma tarefa laboriosa ou um grande desafio. Tal sistema de equações possui soluções exatas apenas em alguns casos conhecidos. Isto levou ao desenvolvimento de métodos numéricos para solucionar as equações de Einstein, o que ficou conhecido como relatividade numérica, que trouxe novos avanços à descrição do Universo.

A TRG é muito bem-sucedida na descrição dos fenômenos da natureza. A primeira comprovação observacional deu-se já em 1919, quando as expedições científicas de Eddington – uma delas em Sobral, Ceará – conseguiram medir a mudança de posição de estrelas no céu devido à deflexão de seus raios de luz pelo próprio Sol. A comprovação deste efeito trouxe grande notoriedade a Einstein e à nova teoria. A deflexão da luz por corpos massivos é a base para explicação do efeito de lentes gravitacionais, que faz surgir réplicas da imagem de galáxias distantes e riscos astrofísicos - arcos de Einstein.  

Outro efeito relevante da TRG é a mudança do ritmo de relógios submetidos a campos gravitacionais – dilatação temporal  gravitacional, que foi comprovado em experimentos realizados com relógios atômicos. Esse efeito é crucial no esquema de sincronização dos relógios atômicos que funcionam dentro dos satélites que formam a base de funcionamento do GPS – “global positioning system”.  Se o efeito de atraso dos relógios atômicos devido a sua posição no campo gravitacional da Terra não fosse levado em conta, o sistema GPS simplesmente não funcionaria.  Este é um belíssimo efeito de como desenvolvimentos em ciência básica promovem revoluções tecnológicas futuras inimagináveis na época da sua concepção. 

A TRG também tem relevantes consequências astrofísicas e astronômicas. Prevê a existência de buracos negros, estruturas gravitacionais fantásticas, dotadas de um horizonte de eventos, de onde a luz não escapa, e cujas conexões com a termodinâmica e com a mecânica quântica são surpreendentes.  Após a descoberta de Hawking de que buracos negros podem emitir radiação via efeitos quânticos, uma nova área vem sendo desenvolvida na Física. A investigação sobre o que se passa no núcleo de buracos negros, onde a interação gravitação torna-se tão intensa que passa a requerer uma teoria de gravitação quântica para ser bem descrita, é também dos mais importantes legados da TRG, pois evidencia a necessidade da unificação da gravitação/mecânica quântica.

A nível cosmológico, sabemos hoje que o Universo está em expansão e acelerada. Mencionamos que a TRG é base dos modelos cosmológicos que  explicam a evolução do Universo (Big Bang), sua expansão acelerada, e lhe atribuem composição de 70% de energia escura – o motor da expansão acelerada.  

A TRG é uma das mais altivas, finas e elaboradas criações intelectuais do homem, mostrando-se capaz de explicar a evolução do Universo com sucesso. Possui consequências imensuráveis para o saciar da fome de conhecimento que corrói o espírito humano e para novas tecnologias.