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Reportagem

Legado da relatividade

Em 1905, as reflexões de um funcionário do departamento de patentes da Suíça mudaram o mundo para sempre. Sua herança persiste entre a nova geração de físicos, que competem na busca por uma teoria de tudo

Gary Stix
Montagem de um dos retratos mais famosos do físico, feita por Philippe Halsman, e os objetos cósmicos cuja essência foi revelada por seu trabalho
Albert Einstein paira sobre a física do século XX como figura definidora e emblemática. Seu trabalho alterou para sempre a maneira como vemos o mundo natural e obliterou os absolutos de tempo e espaço para sempre. "Newton, por favor, me perdoe", implorou Einstein quando sua teoria da relatividade obliterou os absolutos de tempo e espaço que o antigo árbitro de todas as áreas da física havia defendido mais de dois séculos antes.

Com pouco mais que uma tese de doutorado rejeitada no seu currículo, esse funcionário do departamento de patentes, que estudava ciência às escondidas no trabalho, declarou que os físicos de sua época estavam perdidos e seguiu em frente até provar isso. Além da relatividade geral e especial, seu trabalho ajudou a deslanchar a mecânica quântica e a mecânica estatística moderna.

O mais impressionante é que conseguiu muito disso com uma série de artigos publicados durante um só ano milagroso, 1905. Não há na história nenhum outro período tão fértil para um único cientista, com exceção do intervalo entre 1665 e 1666, o annus mirabilis original, quando Isaac Newton, confinado em sua casa de campo para escapar da peste, começou a estabelecer as bases do cálculo, da lei da gravitação e da teoria das cores. A comunidade internacional dos físicos declarou 2005 o Ano Mundial da Física, em homenagem ao centenário de Einstein.

Cientistas de várias áreas da física e da engenharia passaram o século XX testando, compreendendo e aplicando as muitas idéias de Einstein. Como todos sabem, sua fórmula E = mc2 foi essencial para o desenvolvimento da bomba atômica. A explicação de Einstein para o efeito fotoelétrico permitiu tecnologias que vão dos fotodiodos aos tubos de televisão. Cem anos depois, os pesquisadores ainda encontram novos modos de criar invenções originais a partir das teorias de Einstein.
Uma das marcas da genialidade é o tempo necessário para explorar totalmente, por meio de experimentos, as implicações de uma nova teoria. Nesse sentido, Einstein ainda continua forte. Uma sonda espacial lançada há pouco tempo vai examinar várias das predições da relatividade geral. Mas os físicos não esperam que todas as respostas surjam para perguntar o que vem por aí. Hoje boa parte dos trabalhos mais estimulantes da física tem como objetivo ir além de Einstein - transcender suas idéias e cumprir uma tarefa parecida com a que ele se propôs a realizar nos seus últimos 30 anos de vida, sem sucesso.

Está claro que a relatividade geral e a física de partículas formam uma descrição incompleta da física, porque a segunda é fundamentalmente quântica, e a relatividade geral e os quanta se dão tão bem quanto óleo e água. Apesar de décadas de esforço, Einstein nunca foi capaz de encontrar uma estrutura teórica capaz de unir a relatividade e o eletromagnetismo. Ele tinha esperanças de formular uma física baseada em certezas, e não nas probabilidades e realidades sem relações causais da mecânica quântica, justamente as coisas que o afastaram do campo que ajudou a criar. A atual geração de cientistas está trabalhando nas suas próprias teorias de tudo, armados com uma descrição muito mais completa das forças físicas fundamentais do que a usada por Einstein, e sem preconceitos contra a mecânica quântica. Para o físico que vencer esse desafio, a recompensa seria a imortalidade hoje ligada aos nomes de Einstein e Newton. Para o restante de nós, os prêmios podem ser maior entendimento da natureza e novas tecnologias tão incompreensíveis para nós hoje quanto buracos negros e computadores quânticos o seriam há 100 anos.

Para ir além de Einstein, deve-se primeiro entender a totalidade de suas realizações. Na primavera de 1905, o jovem "escravo das patentes", como Einstein apelidou a si mesmo, enviou uma carta ao amigo Conrad Habicht para contar que tinha escrito uns "rascunhos inconseqüentes". O único artigo da coletânea enviada a Habicht que ele considerava "muito revolucionário" não tinha a ver com a relatividade, mas o assunto lhe rendeu um Prêmio Nobel em 1922. "Sobre um ponto de vista heurístico relativo à geração e à transformação da luz", finalizado em março daquele ano, toma de empréstimo e amplia o conceito dos quanta - a energia dos objetos quentes que pode ser emitida ou absorvida apenas em determinados pacotes discretos.

No artigo, um dos três publicados por ele na edição de 7 de junho do Annalen der Physik e um dos cinco escritos em 1905, Einstein aplicou o conceito de quanta para explicar o efeito fotoelétrico - como um pedaço de metal carregado com eletricidade estática descarregaria elétrons quando exposto à luz. O artigo sugere que o feixe de luz é composto de partículas, mais tarde conhecidas como fótons, contradizendo a idéia, então dominante, de que a luz era uma onda. O artigo abriu caminho para a aceitação da natureza dual da luz (partícula e onda ao mesmo tempo), que se tornou um dos fundamentos da mecânica quântica.
Em 1901, a Universidade de Zurique rejeitou a primeira tese de doutorado submetida por Einstein - um trabalho regular sobre as forças de atração entre as moléculas de um gás. O físico tinha quase desistido da idéia de se submeter ao que chamou de "comédia" de obter um título avançado. Mas decidiu tentar novamente em 1905. De acordo com sua irmã Maja, Einstein primeiro apresentou 0 artigo sobre relatividade especial, mas a universidade o considerou "meio esquisito". Então, ele escolheu o trabalho "Sobre uma nova determinação das dimensões moleculares", concluído em 30 de abril e publicado em 7 de junho no Annalen. Conta-se que a inspiração para o texto veio de uma conversa durante o chá com seu melhor amigo, Michele Besso, na qual Einstein sugeriu relacionar a viscosidade do líquido com o tamanho das moléculas de açúcar dissolvidas. Ao considerar o agrupamento de tais moléculas, Einstein deduziu um termo matemático que media a velocidade da difusão. Era então possível estimar o tamanho das moléculas de açúcar ao considerar o coeficiente de difusão e a viscosidade da solução.

Alguns dias depois de concluir esse artigo, Einstein finalizou outro trabalho que também tinha como objetivo fornecer uma "definição exata dos tamanhos atômicos reais" - os átomos ainda eram uma idéia controversa em alguns círculos. "Sobre o movimento de partículas suspensas em fluidos em repouso, conforme postulado pela teoria cinética do calor", também publicada no famoso Annalen de 7 de junho, predizia o número e a massa das moléculas em um dado volume de líquido - e como essas moléculas se moveriam de lá para cá. Esses movimentos erráticos eram conhecidos como movimento browniano, por causa da observação dos ziguezagues irregulares do pólen na água, feita por Robert Brown no começo do século XIX. Einstein sugeriu que o movimento das moléculas de água seria forte o suficiente para movimentar partículas suspensas, uma dança que poderia ser observada ao microscópio. Esse artigo, que estabeleceu as bases para a mecânica estatística moderna, gerou métodos que têm sido usados em disciplinas que vão do monitoramento ambiental a modelos financeiros comerciais que simulam a flutuação do mercado de ações.

O artigo seguinte, concluído no fim de junho, chamava-se "Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento". A relatividade já existia centenas de anos antes de Einstein. Em 1632, Galileu sugeriu que todas as leis da física eram as mesmas independentemente do estado de movimento de um corpo, desde que sua velocidade não mudasse: vista do convés de um navio a uma velocidade constante, uma pedra lançada do mastro cai em linha reta, assim como ocorreria se o navio estivesse parado. Esse princípio valia para todas as leis da mecânica, propostas por Newton em meados do século XVII. Mas essa simplicidade foi derrubada no final do século XIX, com o surgimento do eletromagnetismo. Como as equações de James Clerk Maxwell mostraram que a radiação eletromagnética se movimenta em ondas, os físicos assumiam que ela se propagava por um meio, o éter, do mesmo modo que as ondas do som o fazem pelo ar. Maxwell demonstrou que a luz e outras ondas eletromagnéticas viajam a 300 mil km por segundo no vácuo, quando observadas por alguém em repouso no éter. No mundo etéreo, no entanto, a relatividade não vale para a luz. Assim que o observador saísse do estado de repouso, a velocidade da luz deixaria de valer 300 mil km por segundo. Os pesquisadores, no entanto, não conseguiam encontrar nos testes as diferenças esperadas para os objetos em movimento. A velocidade da luz era sempre a mesma.

Foi essa incapacidade de conciliar o eletromagnetismo com o restante da física que Einstein decidiu abordar. Ele não podia conceber que o princípio da relatividade não valesse para o eletromagnetismo. O artigo de 1905 sobre relatividade especial, publicado em agosto daquele ano, reafirmava o princípio para toda a física ao aplicá-lo ao eletromagnetismo, e estabelecia que a velocidade da luz é constante. Enquanto resolvia o paradoxo da relatividade, o artigo apresentava um novo paradoxo, que parece subverter a nossa intuição sobre como as coisas funcionam. A velocidade da luz permanece a mesma se uma pessoa está sentada em uma cadeira de balanço no terraço ou viajando numa espaçonave, em velocidade próxima à da luz.
Essa constância da velocidade da luz causou um belo estrago na nossa idéia de tempo e espaço como absolutos invariáveis. Velocidade é algo que se resume à distância dividida pelo tempo. Para que a velocidade da luz permaneça imutável em um lado da equação, tanto a distância quanto o tempo têm de ser alterados no outro quando um observador em um sistema de referência está observando alguém em outro. No caso em questão, o homem numa cadeira de balanço terá a impressão de que o tempo passa mais devagar para os astronautas. Para ele, a nave também parecerá encolher na direção do movimento dela.

Se o homem na cadeira de balanço pudesse medir a massa dos astronautas enquanto a nave passa, ele também perceberia que eles ganharam massa desde seu lançamento. No quinto e último artigo do ano milagroso de Einstein, publicado em novembro no Annalen, ele afirma que a "massa de um corpo é uma medida de seu conteúdo de energia", conceito que Einstein reformulou em 1907 na equação científica mais conhecida de todos os tempos. E = mc2 também se aplica à energia cinética, a energia do movimento. Quanto mais rápido a nave espacial viaja com relação ao homem na cadeira de balanço, maior sua energia cinética. A energia se comporta como a massa, dificultando cada vez mais sua aceleração. À medida que a nave se aproxima da velocidade da luz, a energia adicional necessária para viajar mais rápido é tão grande que uma aceleração adicional se torna praticamente impossível, razão pela qual viajar mais rápido que a luz continua sendo apenas um sonho da ficção científica.
Depois de 1905, o melhor ainda estava por vir. A teoria da relatividade geral, publicada em 1916, ofusca tudo o que Einstein (ou qualquer outro físico, com a possível exceção de Newton) fez antes ou depois.

O matemático Henri Poincaré quase superou Einstein na relatividade especial, mas se recusou a dar o passo final, porém vital, de descartar o éter. A teoria especial reconciliou as disparidades da mecânica newtoniana e do eletromagnetismo maxwelliano, mas só para os corpos em movimento uniforme, que viajam em velocidades constantes em linha reta. Era necessária uma teoria da relatividade geral para o mundo real, no qual os corpos mudam de velocidade e direção - em outras palavras, ela teria de levar em conta os efeitos da aceleração, incluindo a mais universal das acelerações, a gravidade. Newton viu a gravidade como uma força atuando instantaneamente a longas distâncias, mas Einstein a reimaginou como uma propriedade intrínseca do espaço e tempo. Uma estrela ou qualquer corpo com massa tem em torno de si o espaço e tempo de Einstein. Os planetas se movimentam por caminhos curvos no continuum do espaço-tempo.

"A idéia de que a massa deforma o espaço-tempo e que o espaço-tempo curvo indica à massa como se movimentar é simplesmente genial", diz Michael Shara, chefe do Departamento de Astrofísica do Museu Americano de História Natural e curador de uma exposição recente sobre Einstein. "Os físicos iriam, cedo ou tarde, descobrir os efeitos da relatividade geral com base nas medições de satélites e pulsares, mas provavelmente não antes do fim do século XX."
Pouco depois de seu artigo sobre relatividade geral, um experimento de 1919 confirmou que o campo gravitacional do Sol provocava um desvio na trajetória dos raios de luz estelar que passavam por ele durante um eclipse - fenômeno previsto pela relatividade geral. A confirmação transformou Einstein em uma estrela da mídia, mesmo que muitos na multidão que se apertava para vê-lo tivessem dificuldade em explicar o que o cientista havia feito. O jornal britânico The Times comentou que a teoria do físico era compreendida por apenas 12 pessoas no mundo. A declaração era um pouco exagerada. A Scientific American patrocinou um concurso, atraindo centenas de inscritos, que oferecia um prêmio de US$ 5.000 para quem explicasse do modo mais compreensível a teoria da relatividade. Einstein brincou dizendo ser o único de seu círculo de amigos a não participar.

De 1916 a 1925, Einstein fez novas contribuições à teoria quântica, como um artigo sobre emissão estimulada de radiação que acabou resultando no laser. Mas ele se desencantou com a mecânica quântica, que usava possibilidades estatísticas em vez de explicações causais para descobrir o que acontecia no mundo das partículas subatômicas. No fim da vida, Einstein se concentrou em uma teoria do campo unificado, que revelasse não apenas os campos gravitacionais e eletromagnéticos como dois aspectos da mesma coisa, mas também explicasse a existência de partículas elementares e a de constantes como a carga ou a velocidade da luz.

Esses trabalhos acabaram virando um beco sem saída - em parte porque Einstein rejeitou a nova direção tomada pela física quântica e em parte porque duas forças nucleares fundamentais (a forte e a fraca) não foram bem compreendidas até anos depois de sua morte. "Mesmo os admiradores mais devotados de Einstein não discordariam que o progresso da física não teria sido tão comprometido se o maior cientista entre eles não tivesse passado as últimas três décadas de sua vida - mais ou menos de 1926 em diante - velejando", observou Albrecht Fölsing, em uma biografia de 1993. Outros são mais generosos. O físico pode simplesmente ter estado à frente de seu tempo: "A busca contínua de uma teoria de tudo é o legado mais significativo de Einstein para a ciência", observa Ze\\`ev Rosenkranz, ex-curador dos documentos de Einstein.

Essa busca ainda é o principal objetivo de uma parte importante da comunidade dos físicos teóricos. Eles continuam a usar matemática sofisticada para explicar as forças da natureza. Esses pesquisadores assimilaram os trabalhos de Theodor Kaluza e Oscar Klein, ampliando o conceito de um Universo com cinco dimensões criado por esses dois pioneiros. Tal proposta intrigou Einstein durante sua busca por uma teoria unificada. Por outro lado, a procura atual por violações da relatividade pode fornecer um dos melhores caminhos para pistas experimentais sobre como unir a mecânica quântica e a gravidade em uma única teoria. E a ressurreição da constante cosmológica de Einstein, força repulsiva que contrabalança a gravidade, permanece na vanguarda da cosmologia que tenta entender a "energia escura".
Se de um lado a busca de Einstein por uma teoria unificada foi prematura, por outro ele obteve mais sucesso no final da vida ao usar sua fama para defender causas pelas quais era apaixonado. O físico tinha dificuldade em entender por que o resto do mundo estava tão fascinado pela teoria da relatividade. Ela descrevia o mundo físico e não tinha nada a ver com pontos de vistas psicológicos subjetivos sobre o tempo e o espaço. "Nunca entendi por que a teoria da relatividade, com seus conceitos e problemas tão distantes da vida prática, teve repercussão vigorosa, ou mesmo passional, por tanto tempo", ponderou Einstein.

Sua reputação permitiu que discutisse pacifismo, governo mundial e a necessidade de combater os esforços nazistas para desenvolver uma bomba nuclear. A mesma paixão que o levou da teoria da relatividade a uma teoria do campo unificado transbordou para o resto de sua vida. "Einstein também viveu sob a compulsão da unificação na política, nos ideais sociais e mesmo no comportamento do dia-a-dia", diz Gerald Holton, estudioso de Einstein da Universidade Harvard.

Se o físico voltasse de repente por meio de uma distorção post mortem do tempo e espaço, talvez não ficasse tão empolgado com as celebrações mundiais pelo seu Ano dos Milagres. Mais interessado nas idéias do que no circuito da mídia, poderia muito bem escapar das cerimônias comemorativas do Ano da Física em Jerusalém, Zurique, Berlim, Princeton ou Brasil a fim de saber sobre os últimos esforços para detectar as ondas gravitacionais postuladas pela relatividade geral. E talvez de lá ele se dirigisse à Universidade Stanford, para debater com cientistas os resultados da sonda Gravity Probe B, da Nasa, que poderá fornecer evidências que comprovem ou não o efeito do "arrasto de referenciais" (frame dragging), a previsão relativística segundo a qual um corpo maciço em rotação, como a Terra, arrasta com ele espaço e tempo.
Einstein certamente ficaria intrigado com a ressurreição da sua constante cosmológica, há muito descartada, como modo de ajudar a explicar por que a expansão do Universo está em aceleração.

Ele poderia se mostrar fascinado com trabalhos sobre supercordas, branas, teoria M e a gravidade quântica em loops, todas tentativas de unificar a mecânica quântica e a gravitação descrita por sua relatividade geral. Sem dúvida, Einstein ficaria satisfeito ao ver que os físicos estão ultrapassando as fronteiras deixadas por ele, impelidos pelo mesmo desejo de criar uma visão de mundo coerente, que explique do nível subatômico até a totalidade do cosmos.