Quando os três astros se alinharam no céu e a Lua ocultou a luz do Sol, “Albert ainda não era Einstein”. Era um professor recentemente divorciado, e logo a seguir recentemente casado, que tinha tido “a ideia mais bela da vida”: quando a luz vinda de uma estrela passa perto do Sol, encurva-se porque cede à curvatura do tecido espaço-tempo — a malha com quatro dimensões, três espaciais e uma linha do tempo, que compõe o universo.

Diz-se que, na véspera desse 29 de maio de 1919, Albert dormiu descansadamente a milhares de quilómetros do sítio onde a expedição de Arthur Eddington, um astrónomo muito jovem mas já reconhecido e extremamente inteligente, ia colocar a teoria à prova. Seis meses depois, quando as fotografias do eclipse solar lhe deram razão, explicou de onde vinha tamanho sossego: “Se a teoria não estivesse certa, teria muita pena do nosso bom Deus”.

Celebram-se na próxima quarta-feira cem anos desde a primeira vez que a Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein foi comprovada pela primeira vez, quando os cientistas viram a luz a encurvar por ação do campo gravítico do Sol. O mundo mudou nesse dia. Isaac Newton já não era considerado o maior cientista de todos os tempos. E a mudança aconteceu em território nacional — numa colónia portuguesa e também no Brasil.

E o mundo mudou, em primeiro lugar, porque o universo passou a ser-nos um pouco mais familiar: “Em vez de andarmos a tentar explicar observações com uma teoria que já tinha dois séculos, da autoria de Newton, abriram-se novas possibilidades, que era ver ou não se o universo satisfazia uma teoria tão elegante mas também tão complexa como a teoria de Einstein”, explica Vítor Cardoso, professor do Instituto Superior Técnico e fundador da Sociedade Portuguesa da Relatividade e Gravitação, ao Observador.

Mas não só. De repente, poucos meses depois do fim da I Guerra Mundial — o maior conflito armado de que havia memória — todo o universo podia ser explicado à luz de uma teoria confirmada por um inglês, saída da mente de um alemão que tinha sido perseguido no seu país, mas acolhido nos Estados Unidos e na Áustria. O planeta podia unir-se outra vez. Einstein era um homem do mundo, capaz de explicar o mundo.

“A teoria de um alemão tinha ultrapassado a teoria do maior cientista inglês, Newton, num teste organizado por outro inglês, Eddington. Como pacifista, Eddington quis que esta prova fosse um passo na reconciliação entre a Alemanha e Inglaterra após a guerra”, sublinha Paulo Crawford, professor na Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, em conversa com o Observador.

A “ideia mais bela” de Einstein

Até ali, a teoria que melhor explicava o universo era a de Newton. “A teoria de Newton fazia uma previsão bastante simples. Explicava o movimento em termos de forças. Quando aplicada à gravidade, a teoria dizia que a força da gravidade era proporcional à massa do objeto. Por exemplo, a força sobre mim seria o dobro da força sobre uma criança com 37 quilos”, compara Vítor Cardoso.

Ora, segundo a teoria de Newton, se um corpo não tivesse massa, em princípio não havia uma força gravítica sobre ele. “Em princípio, a luz não deve ser afetada pela gravidade porque o fotão, a partícula que a compõe, não tem massa. Esta teoria manteve-se durante séculos porque explicava tudo. As marés, o movimento da Lua e os planetas conhecidos”, explica o professor.

É então que Einstein introduz uma ideia completamente diferente da que parecia reger o mundo desde havia dois séculos. “Em vez de dizer que as coisas se moviam porque eram atuadas por forças, o que ele disse foi que as coisas se movem sempre a direito. Mas a noção de direito depende da curvatura do tecido espaço-tempo”, prossegue Vítor Cardoso. “A grande introdução do Einstein foi dizer que a gravidade não era mais nada senão uma distorção do espaço-tempo. O espaço-tempo tem uma geometria e as coisas, inclusivamente a luz, moviam-se nessa geometria da forma mais simples possível”.

Isso mesmo é o que nos conta José Pedro Mimoso, professor da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa. Segundo ele, tudo começou em 1905 quando Einstein propôs a Teoria da Relatividade, mas sem incorporar o conceito de gravitação. “A ideia é a seguinte: duas pessoas que estejam paradas ou que se estejam a mover com uma velocidade uniforme uma em relação à outra vão ter uma ideia da física que é a mesma. São os chamados observadores inerciais”, explica.

Esta é uma das ideias fundamentais da Relatividade, mas não é a mais surpreendente. “O que é surpreendente é o outro postulado, que estabelece que a velocidade da luz no vazio é a mesma para todos os observadores que se movem a velocidades constantes uns em relação aos outros”. “Se for num comboio e andar da parte de trás até meio da carruagem está a andar mais depressa do que o comboio em relação à estação. Isto não acontece com a luz, que é vista com a mesma velocidade quer pela estação, quer pelo comboio”, conclui.

Segundo Carlos Herdeiro, professor do Instituto Superior Técnico, é daqui que Einstein parte da Teoria da Relatividade Restrita para a Relatividade Geral. “Albert Einstein formulou a Teoria da Relatividade Geral em novembro de 1915. É uma teoria em que ele trabalhou durante cerca de 10 anos, quando tinha formulado a Teoria da Relatividade Restrita. E percebeu que era precisa uma nova teoria da gravidade porque os princípios anunciados em 1905 mostravam alguma incompatibilidade com as ideias da gravidade de Newton“, avança.

Isaac Newton afirmava que a gravidade se regia por uma interação à distância, uma lei que diz que dois corpos se atraem com uma força dependente da massa entre eles e inversamente proporcional ao quadrado da distância que os separa. Existe uma misteriosa ação à distância que faz com que a Terra e a Lua, por exemplo, se atraiam.

Só que, de acordo com a teoria de Newton, esta interação é instantânea. “Se mudarmos a posição da Terra, algo que está constantemente a acontecer, então o resto do Universo sabe imediatamente que a Terra está numa nova posição e reajusta-se a essa nova realidade instantaneamente à conta da força da gravidade”, compara Carlos Herdeiro.

Aquilo que Albert Einstein percebeu em 1905 é que “há uma noção de causalidade que está limitada pela velocidade da luz”, prossegue o professor: “Causas e efeitos não se podem relacionar mais rapidamente do que a luz comunica entre eles. A luz tem uma velocidade elevada, mas não é infinita. Era preciso compreender como é que a natureza faz para, quando há uma mudança da distribuição das massas que origina o campo gravitacional, isso ser comunicado ao resto do universo”, explica.

Este é um problema que até Isaac Newton já tinha reconhecido na teoria que tinha criado. Mas que só 200 anos depois, com Albert Einstein, é que se vai resolver. Mas como?

“Vamos imaginar que deixo cair para a Terra tudo o que existe no mundo. E que me vou por em cima de uma das cadeiras que está a cair”, começa por explicar Vítor Cardoso. “Como tudo cai da mesma forma, se eu olhar à minha volta, vou ver que está tudo parado em relação a mim. Se tudo cai exatamente da mesma forma quando é largado, quando olho para o lado é como se tudo se mantivesse em repouso a relação a mim. Ou seja, objetos em queda livre é como se não sentissem a gravidade. As coisas não caem, de alguma forma”, conclui o professor.

Foi então que Albert Einstein se apercebeu que “a gravidade podia ser um artifício que pode ser desligada em certas circunstâncias” porque “o tempo e o espaço não eram quantidades fixas, mas quantidades que se transmudavam entre si: “O tempo era relativo, podia andar mais lento ou mais rápido. Por isso, adicionar gravidade é a mesma coisa que adicionar alguma distorção neste tecido espaço-tempo”, conclui Vítor Cardoso.

Ora, a única forma de estudar esse efeito era através de um eclipse solar, quando a Lua tapa o Sol e as estrelas se tornam visíveis. “Se a teoria de Einstein estivesse correta, a luz que passa ao pé do Sol faria uma trajetória curva ao ceder a essa distorção. Suponha que na noite interior olhamos para essas estrelas, sabemos onde estão. Depois esperamos pelo eclipse e se a luz curva, nós quando olhamos para essa luz vamos pensar que a estrela está numa posição ligeiramente diferente”, conclui o professor do Técnico.

Essa oportunidade estava no eclipse de 29 de maio de 1919. Nesse dia, o eclipse duraria 6 minutos e 51 segundos, um dos mais longos do século XX. Além disso, atrás do Sol tapado pela Lua iriam surgir estrelas tão brilhantes como as que compõem a constelação de Touro e de Orionte. Era uma oportunidade de ouro para testar a Teoria da Relatividade Geral.

A expedição em que tudo podia correr mal

O eclipse de 1919 não foi o primeiro em que a comunidade científica se empenhou para tentar provar a Teoria da Relatividade Geral de Einstein. Houve uma tentativa em 1912, outra em 1914 e uma terceira em 1918. Porque é que essas não resultaram? Para Ana Simões, historiadora do Centro Interuniversitário da História das Ciências e Tecnologias, “a pergunta que se devia fazer é porque é que esta correu bem”.

É que “tinha tudo para correr mal”, garante: “Em 1912 ainda não havia Teoria da Relatividade Geral, mas Einstein já estava a trabalhar nela e já tinha previsto o encurvamento da luz. Mas nesse ano choveu“, conta-nos a professora à margem da exposição “E3 – Einstein, Eddington, Eclipse”, de que é curadora e que vai estar no Museu Nacional de História Natural e da Ciência até 8 de setembro de este ano.

As fotos de Einstein no dia a dia: como vivia o génio

Dois anos mais tarde, o eclipse solar coincidiu com o início da I Guerra Mundial. “Os membros da equipa alemã que foi para a Crimeia foram feitos prisioneiros quando lá chegaram”, acrescenta Ana Simões. Isso veio a complicar a observação de 1918, que aconteceu nos Estados Unidos: “O astrónomo que tirou as fotografias, entretanto, ainda foi chamado para a guerra. Portanto, quando se chega a Londres para apresentar os resultados dessa observação, que eram inconclusivos, já os astrónomos da expedição de Eddington estavam lá na redução dos dados de 1919”, prossegue.

Além disso, a observação de 1918 já tinha sido prejudicada pelas peripécias vivenciadas pela equipa enviada à Crimeia em 1914, recorda Paulo Crawford: “Todo o equipamento do observatório tinha ficado na Rússia em 1914 por causa da I Guerra Mundial, por isso eles não tinham equipamentos em condições”.

Esse problema também foi sentido pelos quatro cientistas da expedição de 1919, organizada em tempos de guerra por um astrofísico jovem mas reconhecido chamado Arthur Eddington. “Era um astrónomo que tinha muita prática mas que, ao contrário da maioria dos astrónomos, também sabia muito de matemática e de física. Isso era invulgar. E fez com que com que fosse sensível quando recebia novas da teoria de Einstein”, conta-nos Ana Simões.

Arthur Eddington e Albert Einstein nunca comunicaram diretamente enquanto se organizava em expedição por causa dos impedimentos causados pela I Guerra Mundial. “Havia propositadamente, por parte das autoridades britânicas, um boicote ao envio de coisas para a Alemanha, com quem estavam em guerra. Por isso, o Eddington sabe disto por portas travessas”, explica-nos a historiadora.

Essas “portas travessas” são entreabertas pelas mãos de Willem de Sitter, um astrónomo holandês. “Ele recebe a comunicação do Eddington a pedir que lhe diga o que há de novo da parte de Einstein. De Sitter não podia ir até aos congressos científicos britânicos, mesmo sendo de um país neutral na guerra. Então, o que ele faz não é mandar os trabalhos de Einstein. Ele escreve três artigos e envia-os para o Eddington, que depois usa aquele material para apresentar as ideias de Einstein”, conta-nos o relativista Paulo Crawford.

Mais: tal como tinha acontecido em 1918, também a expedição de 1919 não podia contar com o material de última geração dos Observatórios de Greenwich e de Cambridge, que continuavam apreendidos. “Eles tinham pouco dinheiro e não construíram nada de novo. As lentes vieram de diferentes observatórios, por exemplo, e inventaram uns tubos para as levar. Portanto, é fantástico que se tenha conseguido fazer isto com a prata da casa, que no tempo de guerra era praticamente nada. Não havia dinheiro sequer para fazer um parafuso de ferro. E técnicos também não, porque estavam todos em guerra”, sublinha Ana Simões.

Aliás, Arthur Eddington só não estava na guerra porque era um “pacifista”, um “objetor de consciência”: “Enquanto a guerra está no começo, Frank Dyson, o astrónomo real, consegue convencer a tutela de que o que ele está a fazer à frente do Observatório de Cambridge tem importância nacional”, prossegue a historiadora.

À medida que a guerra avança, os homens continuam a ser chamados para combater no conflito. Ainda assim, Arthur Eddington consegue escapar ao serviço militar. Mais do que isso, o astrónomo real consegue que ele vá para o Equador. Como? “Eles tinham percebido que este eclipse era singular. Era muito longo e tinha muitas estrelas muito brilhantes”, explica Ana Simões.

Além disso, havia os interesses de Frank Dyson. Naquela altura, os astrónomos acreditavam que as anomalias detetadas na translação de Mercúrio em redor do Sol deviam ser justificadas por um planeta ainda mais próximo à nossa estrela. Chamavam-lhe Vulcano, mas nunca o tinha visto.

“Seguramente que qualquer astrónomo ficava entusiasmado com o facto de haver uma teoria física que explicava o avanço do periélio de Mercúrio. Eles andavam há décadas a tentar explicar aquilo e a tentar encontrar Vulcano, mas não havia sinais da existência dele. Se esta teoria retirava um coelho da cartola que era o periélio de Mercúrio, valia a pena os astrónomos irem”, conclui a historiadora.

As peripécias de uma viagem low tech

Foi assim que Eddington, o pacifista, escapou à guerra. E a expedição que tinha tudo para correr mal, acabou por correr bem. Mas por pouco. É que as observações da equipa enviada para São Tomé e Príncipe, constituída por Arthur Eddington e por um relojoeiro, responsável por ajustar os materiais de observação em concordância com o movimento aparente do Sol, estiveram muito perto de serem arruinadas pelo mau tempo. E no Brasil, onde estavam Frank Dyson e Charles Davidson, as nuvens por pouco não atraiçoaram também a observação do eclipse mesmo na altura da totalidade.

No relatório que os três cientistas apresentaram à The Royal Society, que em novembro aprovou os resultados da expedição e deu como provada a Teoria de Einstein, é bastante clara a missão daquela investigação: “O propósito desta expedição é determinar que efeito, se houver algum, é produzido por um campo gravitacional no percurso de um raio de luz que o atravessa”.

Havia três alternativas: o percurso não é influenciado pela gravitação; a energia ou massa da luz é sujeita à gravitação da mesma forma que a matéria normal, algo que de acordo com a lei de Newton, iria resultar num deslocamento aparente muito ténue do raio de luz; ou o percurso da luz é influenciada tal como Einstein previu e o desvio é o dobro da que Newton tinha previsto.

A última hipótese provou-se verdadeira: “Os resultados das expedições ao Sobral e ao Príncipe deixam poucas dúvidas que uma defleção da luz acontece nas vizinhanças do Sol e que é na quantidade exigida pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein, atribuível ao campo gravítico do Sol”, diz o relatório final.

No entanto, chegar a estes resultados exigiu que as equipas enfrentassem muitos contratempos. No Sobral, Brasil, “a manhã do dia do eclipse estava bastante mais nublado do que a média”, queixaram-se os cientistas. “Mas à medida que a totalidade se aproximou, a proporção de nuvens diminuiu e um grande espaço limpo alcançou o Sol cerca de um minuto antes do segundo contacto”. Mais: um dos telescópios deixou de funcionar. Ainda assim, as fotografias bem sucedidas foram suficientes para serem estudadas.

Mesmo depois de os resultados terem sido aprovados e de a Teoria da Relatividade Geral ter sido aceite, Arthur Eddington teve mais um obstáculo por resolver. A partir dos anos 70, a comunidade científica começou a duvidar da falta de rigor nas observações feitas durante a expedição. E até disseram que os resultados foram manipulados de forma a dar razão a Einstein.

Isso mesmo é o que explica Paulo Crawford: “Esta crítica apoia-se numa conceção de um Eddington antecipadamente favorável à teoria de Einstein por motivações pouco científicas. Talvez movido pela ânsia de contribuir para a reconciliação internacional após a I Guerra Mundial, Eddington teria sido levado a proclamar a vitória da teoria de um dos homens mais célebres da ciência alemã”.

No entanto, essas suspeitas mostraram-se falsas. “Por causa dos problemas que houve nas observações de São Tomé e Príncipe, algumas das chapas fotográficas tinham menos qualidade e tendiam a dar razão a Newton, não a Einstein. Quem decidiu ignorar essas chapas não foi Eddington, mas sim Frank Dyson, que era mais cético em relação à Teoria da Relatividade Geral. Além disso, nas notas da redução dos dados, todos os apontamentos manuscritos são de Dyson”, concretiza o professor.

Como Portugal ajudou o mundo a explicar o Universo

Há dez anos, por altura do 90º aniversário da expedição de Eddington, a historiadora Ana Simões e o professor Paulo Crawford juntaram-se a uma aluna de mestrado à época, Elsa Mota, para descobrirem até que ponto ia o envolvimento português na expedição de Eddington até São Tomé e Príncipe. E descobriram correspondência entre ele e a comunidade científica portuguesa que estava perdida nos arquivos do Observatório Astronómico de Lisboa.

Tal como os três explicam num estudo publicado em 2009, durante os preparativos para a expedição, a Royal Society de London estabeleceu contactos com a Sociedade de Geografia de Lisboa e com o Observatório para pedirem ajuda logística nas viagens. A correspondência foi enviada numa primeira fase para o diretor Campos Rodrigues e depois para o sub-diretor Frederico Oom. Esses contactos só cessaram em agosto de 1919, quando os astrónomos ingleses enviaram para Portugal as ampliações em papel registadas no dia do eclipse.

Tal como desvendam os documentos exibidos na exposição “E3 – Einstein, Eddington, Eclipse”, a primeira carta foi enviada a 11 de novembro de 1918 por Arthur Eddington a Frederico Oom. O documento explica que a Royal Society e a Royal Astronomical Society tencionavam enviar uma expedição a São Tomé para observar o eclipse total de 29 de maio para “medir a deflexão da luz, caso exista, pelo campo gravitacional do Sol, com vista a testar a teoria da gravitação de Einstein”.

“Arrisco-me a perguntar se o senhor e os seus pares em Lisboa nos podem ajudar em dois aspetos. Imagino que quanto a alojamento e a instalações, poderemos contar com a hospitalidade de uma das empresas portuguesas que ocupam a ilha. Será que as pode contactar e colocar-nos em ligação com a mais adequada para que possamos fazer antecipadamente um acordo com ela?”, questiona Eddington a Frederico Oom.

E prossegue: “Também gostaria que nos aconselhasse sobre o melhor meio para viajar para o Príncipe. Sei que antes da guerra, a Empresa Nacional de Navegação tinha paquetes que rumavam até ao Príncipe, que poderíamos apanhar em Lisboa ou na Madeira. Gostaria de saber se essa ligação ainda se mantém”. Ainda se mantinha, de facto, e Eddington acabou por viajar até à Madeira, onde ficou durante uns dias até seguir até àquela colónia portuguesa.

Os astrónomos ingleses encontraram junto da comunidade científica portuguesa uma grande ajuda em termos logísticos. Ainda assim, nenhum português acompanhou a expedição de Eddington até São Tomé e Príncipe.

Augusto Fitas, professor do Instituto de História Contemporânea da Universidade Nova de Lisboa, explica ao Observador que isso não aconteceu por mero desencontro: “O nome de Manuel Peres, diretor do Observatório Astronómico de Lourenço Marques, chegou a ser apontado como uma possibilidade porque, graças à proximidade com a África do Sul, tinha conhecimentos de inglês. Mas parece que, sob o ponto de vista de calendário, não conseguiu sair com a expedição por estar de férias“.

Frederico Oom também não chegou a ser opção para acompanhar a expedição de Eddington. Em 1917, o então sub-diretor do Observatório (havia de atingir o cargo de diretor em 1920), chegou a escrever sobre a importância deste eclipse para Albert Einstein: “O nome de um alemão atrai neste momento as nossas simpatias e a admiração ou curiosidade de todo o mundo culto e não culto. A concretização num princípio simples, único e universal, como deve convir à Natureza, de ideias que, há pouco menos de um século, estavam casando o desespero dos sábios e dos pensadores, produz, neste momento, uma revolução análoga àquela que consagrou os nomes de Copérnico, Kepler, Galileu e Newton”.

No entanto, estes elogios não lhe bastaram para convencer a direção a acompanhar a expedição. Na altura, o Observatório Astronómico de Lisboa concentrava-se sobretudo no estudo do Sol e da astronomia de posição.

Era assim em Portugal e em grande parte do mundo, como conta Ana Simões na exposição: “No início do século XX, a observação de um eclipse solar total tinha fundamentalmente dois propósitos — um que se inseria no contexto da astronomia de posição, outra da mais recente astrofísica. No primeiro caso, tratava-se de determinar rigorosamente os segundos e terceiros contactos, que definem o intervalo da totalidade, em que a Lua tapa completamente o Sol. No segundo caso visava-se a observação da superfície solar e o esclarecimento da sua composição física e química”.

Na mesma exposição, a historiadora acrescenta que “os eclipses totais foram também observados para detetar efeitos elétricos e magnéticos terrestres inusitados”: “Houve ainda astrónomos que procuraram o esquivo planeta Vulcano, situado entre o Sol e Mercúrio, uma forma de dar conta da anomalia da órbita de Mercúrio que foi finalmente explicada pela Teoria da Relatividade Geral”.

Mesmo que Frederico Oom não estivesse interessado propriamente na teoria de Einstein, mas antes nessas observações astronómicas, isso não lhe bastaria para convencer o Observatório a apanhar boleia para a São Tomé. Há um artigo na revista científica “O Instituto” que explica que “as expedições só se justificariam se o grupo de astrónomos tivesse a certeza de obter dados interessantes para a ciência“.

Apesar de não ter havido participação portuguesa nas observações do eclipse em São Tomé e Príncipe, a comunidade científica portuguesa reagiu à validação da Teoria da Relatividade Geral. “Melo e Simas tem observações onde tenta reproduzir o desvio da luz, mas pela ação da passagem junto a Júpiter, algo que constituiria mais um teste à Teoria, mas que a tecnologia da época não permitiu levar a bom porto”, conta Augusto Fitas.

Também Ana Simões adjetiva a resposta portuguesa às novas descobertas de “exemplar”: “A expedição ao Príncipe funcionou como catalisador do seu interesse, tendo respondido simultaneamente à teoria da relatividade restrita e geral. Escreveram artigos científicos, proferiram palestras e publicaram livros, principalmente de divulgação, cientes do papel desempenhado pela educação científica na formação do novo cidadão republicano”, concretiza.

A teoria esquecida de Einstein

Ainda assim, a Teoria da Relatividade de Albert Einstein ficou arrumada numa gaveta durante muito tempo. “De forma geral, a resposta do mundo da física à Relatividade não vai ser arrebatadora porque entretanto surgem a mecânica quântica, que tenciona explicar a matéria. O trabalho científico relacionado com a radioatividade vai absorver grande parte do esforço de experimentação”, explica Augusto Fitas.

A teoria de Albert Einstein era tão difícil de compreender à luz dos conhecimentos da época que alguns físicos a punham em causa por não a conseguirem decifrar. E os princípios matemáticos era tão complexos que nem mesmo os especialistas os compreenderam de imediato. Foram precisos cem anos até que os investigadores começassem a enxergar com clareza aquilo que Albert Einstein tinha previsto no início do século XX.

Aconteceu em 2016, quando mundo soube da primeira deteção das ondas gravitacionais, uma perturbação que se espalha pelo tecido espaço-tempo tal como as ondas que se espalham num lago quando uma pedra é atirada para dentro da água. Essas ondas são o resultado da colisão entre corpos altamente massivos, como por exemplo os buracos negros ou as estrelas de neutrões.

Ondas gravitacionais: o que são e para que servem

Mais recentemente, assistimos a um “fenómeno primo” daquele que, em 1919, a equipa de ArthurEddington viu no Brasil e em São Tomé, adjetiva Carlos Herdeiro: a primeira imagem da sombra de um buraco negro. Em abril, o projeto Event Horizon Telescope viu os anéis de luz que coroam um buraco negro junto ao horizonte de eventos, a fronteira a partir do qual nada, nem mesmo a luz, escapa à ação desse corpo altamente denso.

Esta é a primeira fotografia de sempre de um buraco negro. Einstein estava correto, outra vez