fóton Blog: Uma brevíssima história da Astronomia

De Florestal/MG

A ideia é prosseguir de Newton até Einstein. É, a tarefa não é fácil, mas tentemos. Recapitulando: os gregos e os orientais tinham uma noção do que se passava no céu e formulavam modelos para o movimento dos corpos celestes... noção metafísica sim é verdade, mas tinham muita noção. Trocentos mil anos depois, alguns sujeitos resolveram apontar algo para o céu, que não era o dedo mas sim um telescópio, e começaram a fazer medidas, e com isto (Galileu, Tycho Brahe, “Copérnico”) se inicia o método científico.

Copérnico está entre aspas pois ele não fez experimentos, e sim propôs um modelo heliocêntrico, num apêndice de um trabalho dele.

Partindo das experiências de Galileu e principalmente de Brahe, Kepler decidiu propor um modelo para o movimento dos corpos no sistema solar, e enuncia suas 3 leis. Tudo isto era cinemático, não se sabia o que causava o movimento.

Newton, um sujeito muito, MUITO, inteligente, decide juntar isto tudo numa TEORIA científica, universal, que dava a dinâmica dos corpos celestes e de qualquer corpo massivo. Esta teoria foi “superada” somente em 1905 quando um tal de Einstein entrou no jogo. Mas, antes disso muiiiita água passou por debaixo da ponte.

Agora começa a bagaça... vou demorar um pouco pra falar de astronomia, mas aguardem.

A teoria de Newton foi, de fato, uma mudança extremamente brusca na maneira de pensar das pessoas na época. Pensem comigo: se você sabe que uma força acelera um corpo de uma forma muito bem definida (onde acelerar pode significar rodar o corpo), podemos “inventar” algo que produza uma força que propulsiona uma haste e essa haste por sua vez roda um moinho que vai amassar sua uva de modo a fazer vinho mais rapidamente. A revolução tecnológica dada a partir da teoria Newtoniana foi gigantesca.

Mas, nem tudo são flores na teoria de Newton. Se você acha que calcular planos inclinados é difícil, isto porque você não viu ainda as outras formulações da teoria de Newton. Mais difíceis, porém muito mais úteis em diversas situações. Importante notar também que vários, senão todos, cientistas que citarei são também excelentes matemáticos. A matemática e a física sempre vivem de constantes evoluções, uma puxando a outra para a frente, às vezes a física puxa a matemática, às vezes a matemática puxa a física.

Citando alguns: Euler (sim, aquele do número e de Euler, e que o nome se pronuncia Óiler) colocou a Mecânica como uma ciência racional, contendo axiomas¹, definições e deduções. D'Alambert deduziu as leis de conservação do momento² e de colisões. Lagrange estudou o problema de 3 corpos (problema sem solução analítica!!!) e descobriu os 5 pontos “Lagrangianos” de estabilidade neste problema, além disto trabalhou com a chamada função de Lagrange, que é a subtração da energia potencial da energia cinética, e com ela trabalhou no estudo de coordenadas generalizadas. Gibbs foi quem introduziu a notação vetorial conhecida pelos que estudam mecânica nos dias de hoje. Laplace estudou com afinco a mecânica celeste, além de produzir infinitamente em matemática. Ainda na versão “antiga” da mecânica Newtoniana, temos que destacar o trabalho de Hamilton, que construiu toda a mecânica Hamiltoniana, baseada na mecânica Newtoniana, que condensava todo um estudo de coordenadas generalizadas, conservação de energia e princípio de ação mínima. Todos trabalharam com problemas de mecânica celeste, trabalharam com astronomia.

Isto foi apenas uma pequeníssima amostra do que foi feito entre a publicação dos Principia de Newton até 1833. Neste meio tempo a indústria estava a plano vapor, literalmente. Os estudos sobre termodinâmica se aceleravam e promoviam a maior revolução industrial da história da humanidade desde a invenção da roda e da imprensa (meu pensamento). Olhando a imagem abaixo dá para termos noção da quantidade de movimento (Newton, mecânica) existe por conta de termodinâmica (gases, temperatura, pressão, movimento, Newton).

Enfim, outro resumo: a física estava a toda: mecânica, OK! Termodinâmica: OK! Eletromagnetismo... bem, OK! Por sinal, MUITO OK! A ciência do eletromagnetismo, eletricidade + magnetismo que iniciaram sua “junção” com Oersted, era talvez a nova menina dos olhos da física no século XIX. Com a tecnologia crescente, os físicos, cada vez mais loucos, decidiram fazer experimentos mais loucos e mais precisos e mais potentes e com isso o eletromagnetismo cresceu e assim também a recém tecnologia elétrica. Isto tudo vai culminar com um tal de Maxwell, que definitivamente uniu³ as duas ciências (elétrica e magnética) no que chamei antes de eletromagnetismo. A partir de Maxwell, a tecnologia baseada no eletromagnetismo não parou mais (alguém já ouviu falar de lâmpadas, rádios, TV's, celulares, código Morse, computadores? Então, isso tudo!) Mas, e aí cara, você não ia falar de Astronomia?

Então vamos falar de Astronomia. Até 1905 a Astronomia estava baseada, única e exclusivamente, na teoria de Newton. A teoria de Newton lidava com todos os problemas, exceto alguns como a precessão do periélio de Mercúrio, e estava muito bem, obrigado! Era uma teoria que tinha lá seus problemas conceituais, como o fato da atração gravitacional de Newton ocorrer instantaneamente: se o Sol sumisse sentiríamos no mesmo momento, mas... poxa vida, a teoria previu que Netuno estava lá! Vamos deixar de blablabla e vamos trabalhar nela.

Mas, em 1905, um bigodudo de 25 anos que trabalhava num escritório de patentes escreveu um artigo que, simplesmente, reformulava toda a maneira de pensar da época. Einstein (o tal bigoda) tinha um problema: a teoria eletromagnética e a teoria Newtoniana (do jeito que era concebida, com suas transformações de coordenadas) não eram compatíveis. O que fazer? Ele tinha duas opções: (1) Newton está certo, Maxwell está errado. Reformulemos o eletromagnetismo; (2) Maxwell está certo, Newton está errado. Reformulemos Newton. Ele optou pela segunda. E, para tal, ele postulou (um axioma) que a velocidade da luz (luz = eletromagnetismo puro) era constante e nenhuma informação pode ir mais rápida que a luz. OK, depois de um tempo até engolimos isto. Mas, espera aí... a gravitação de Newton não é instantânea? Alguma coisa está errada.

Einstein passou mais de 10 anos trabalhando quase que exclusivamente nesta teoria que juntasse a gravitação à sua ideia de que a velocidade da luz é constante (invariante). Em 1917 Einstein propôs o que chamamos de teoria da relatividade geral. Uma teoria linda, lindíssima, que uniu espaço e tempo, quantidades separadas para Newton, num complexo espaço-tempo, que dita como os corpos movem e estes corpos, segundo a teoria, ditam como o próprio espaço-tempo se “move”. Am? Como? É... num é fácil de entender isto, mas vamos lá. Vamos imaginar a figura abaixo e uma situação comum: imagine uma bola de gude e um papão (assim que era chamado em João Monlevade!). Quando você joga a bola de gude ela não vai fazer um movimento de curva dentro do papão? Então, é “mais ou menos” (MUITO mais ou menos) isto que acontece na relatividade geral. Por que muito mais ou menos? Enquanto o papão é em 2 dimensões (somente o chão), na relatividade geral temos 4 dimensões!!!

Pensemos no que nós vemos: nós enxergamos nosso quarto, nossa sala, que tem 3 dimensões, e qualquer objeto se move neste cenário imóvel, certo? Vemos, ou sentimos não sei, que o tempo sempre flui de maneira constante (apesar de meus estudantes sempre quererem que a aula de física passe mais rápido), que o tempo vai do passado para o futuro num fluxo constante. Esta é a visão Newtoniana. A astronomia Newtoniana e a cosmologia (estudo do universo, como ele começou e para onde ele irá) se baseia nestas premissas.

O que Einstein propôs então? Que massas e energias deformam o espaço-tempo, e é neste espaço-tempo deformado que a própria massa e energia se movimentam. Duas modificações fundamentais da teoria de Newton: (1) o cenário não é mais imutável, e o tempo não é mais um fluido constante; (2) a energia entra nas equações de Einstein em pé de igualdade com a massa. A teoria de Newton é um caso a parte da Relatividade Geral, para pequenas massas e/ou para pequenas velocidades a teoria de Einstein é idêntica à teoria de Newton. Então, onde a Relatividade Geral se encaixa? Vamos pensar, próximo do Sol, quem está lá? Mercúrio. A teoria de Newton não “dava conta” de alguns detalhes do movimento de Mercúrio, e próximo do Sol o efeito de sua imensa massa é mais notável. Vamos aplicar a teoria de Einstein: pronto, problema resolvido. A imagem abaixo mostra o que é esta precessão: é o movimento que a órbita do planeta faz em torno do Sol.

Outra previsão da teoria de Einstein: a luz, ao passar perto de um corpo como o Sol, deve sofrer um desvio. Em um eclipse total do Sol isto pode ser medido. Então, vamos medi-lo (a imagem abaixo é de um experimento em Sobral, no começo do século, sobre as previsões de Einstein, as setas mostram a diferença das estrelas entre o momento sem o Sol perto e com o Sol perto):

Até hoje vários experimentos estão sendo feitos sobre a Relatividade Geral, sendo que nenhum disse, até hoje, que ela está errada. O equipamento GPS utiliza a Relatividade Geral para fazer correções precisas no que diz respeito a tempo e espaço (justamente o que o GPS procura fazer, certo?) e várias observações de galáxias distantes concordam com a teoria. Observações de galáxias distantes confirmam, até certo ponto, a teoria da Relatividade Geral.

Uma discussão importante sobre Relatividade Geral (RG de agora em diante) é que, com ela, a ciência da Cosmologia começou a ter um caráter científico mais forte. Na própria concepção da RG, Einstein entre outros (Scharschild, Hubble, etc) começaram a estudar a própria evolução do Universo⁴. Com a RG o universo possuía uma dinâmica, e o próprio Einstein era um tanto quanto contrário a esta ideia, colocando, “no braço”, o termo cosmológico em suas equações. Hubble fez vários experimentos com detecção de galáxias e mostrou que elas estão se afastando da Terra em sua maioria, e depois da descoberta da radiação cósmica de fundo ficou demonstrado que o Universo, em um tempo muito grande no passado, estava todo colapsado em um espaço-tempo muito pequeno. Daí nasceu a teoria do Big Bang e da inflação cósmica, que ficará para outro dia.

1Axioma: sentença ou proposição que é tomada como verdade, e a partir dele as deduções seguem.

2Momento, quantidade de movimento: $\vec p = m \vec v$ . É uma quantidade vetorial!!!