Portugal e o eclipse que confirmou a relatividade geral

Portugal e o eclipse que confirmou a relatividade geral


A 24 de Maio de 1919 dois astrónomos britânicos observaram um eclipse do Sol, na então portuguesa ilha do Príncipe, com a fim de testar os achados de um mal conhecido físico alemão – Albert Einstein (1879-1955). Este publicara, três anos antes, na revista científica «Annalen der Physik», a versão final da teoria da relatividade geral, depois de, em Novembro de 1915, a ter apresentado à Academia das Ciências da Prússia. A expedição foi apoiada pelo Observatório Astronómico de Lisboa, pelas autoridades Portuguesas e pelos colonos da ilha, que tudo fizeram para garantir o sucesso e o conforto dos observadores.

Eddington e Cottingham haviam deixado Liverpool a 8 de Março, no vapor «Anselm», com o fim de observar o eclipse naquela ilha do Golfo da Guiné. Foram acompanhados até à Madeira por Crommelin e Davidson, que seguiam para Sobral, no norte do Brasil, com o mesmo objectivo. No dia 9 de Abril embarcaram no navio «Portugal», da Companhia Nacional de Navegação, com destino a Santo António – no Príncipe – onde chegaram a 23 de Abril.

Devido ao corte de comunicações entre a Alemanha e a Inglaterra, provocado pela I Guerra Mundial, Arthur Eddington (1882-1944) só teve conhecimento do trabalho de Einstein através do astrónomo holandês Willem de Siter (1872-1934), que lhe enviou a cópia de um artigo publicado em 1915. Uma das previsões aí feitas era que um raio de luz proveniente de uma dada estrela, ao passar nas imediações do Sol, sofreria uma ligeira deflexão, com um valor que seria aproximadamente o dobro do previsto pela teoria de Newton. Realizar este teste implicava, dados os meios da época, a observação de um eclipse total do Sol – altura em que o disco aparente da Lua esconde por completo o disco solar, permitindo assim a observação de estrelas numa posição próxima da do Sol.


Foi astrónomo britânico Arthur Eddington que em 1919, na Ilha do Príncipe – na época uma colónia portuguesa – liderou uma das expedições que pôs à prova a teoria da relatividade geral de Einstein.



A comparação de chapas fotográficas obtidas sem a interposição do Sol, e durante o eclipse, deveria permitir a medição do deslocamento da posição aparente das estrelas, provocado pela presença do campo gravitacional do Sol. Numa carta datada de 14 de Outubro de 1913, enviada ao físico solar norte-americano George Hale (1868-1938), Einstein indagava sobre a possibilidade de a deflexão da luz ser medida quando o Sol não estivesse eclipsado. Mas a resposta de Hale foi negativa (hoje, já é possível fazer este teste, usando para o efeito a radioastronomia).

O eclipse de 29 de Maio de 1919 oferecia, de facto, uma excelente oportunidade. Em Março de 1917, o astrónomo real britânico, Frank Dyson (1868-1939), fez incluir na publicação mensal da Royal Astronomical Society um artigo em que chamava a atenção para a circunstância de o eclipse se dar numa zona do céu em que se observam inúmeras estrelas brilhantes. Efectivamente, o observador terrestre veria nas proximidades do Sol o enxame estelar das Híades, na constelação do Touro (um enxame estelar é um grupo de estrelas ligadas entre si pela interacção gravitacional e com uma origem comum). Observar um razoável número de estrelas tornava-se importante pela imperiosa necessidade de fazer um tratamento estatístico das observações.

Os preparativos das expedições britânicas tiveram início em 1917, e em 10 de Novembro desse ano a Comissão Permanente para os Eclipses decidiu nomear uma subcomissão constituída por Dyson, Eddington, Fowler e Turner, com o fim de organizar as expedições. Decidiu igualmente solicitar duas bolsas, uma de cem e outra de mil libras, à Comissão Governamental de Bolsas de Investigação. Em Maio e Junho de 1918, reuniu-se a subcomissão. Foi então atribuído o telescópio astrográfico de Oxford à expedição do Príncipe, enquanto o de Cambridge serviria aos observadores instalados em Sobral. Não obstante todos os preparativos, só o final da I Guerra Mundial viabilizaria a realização das expedições.

Durante a guerra, Eddington, que era «quaker» (membro de uma confissão religiosa adepta da não violência) requereu dispensa do serviço militar, como objector de consciência, mas o Ministério do Serviço Nacional, que necessitava de efectivos, recorreu da isenção. Em 11 de Julho de 1918, Eddington viu confirmada a isenção do serviço militar, depois da intervenção de Frank Dyson, que alegou a importância de Eddington na expedição ao eclipse. Antes de 1919 foram várias as tentativas para testar a previsão de Einstein. Erwin Freundlich (1885-1964), do Observatório de Berlim, e W. Campbell (1862-1938), do Observatório de Lick, nos Estados Unidos, organizaram expedições à Rússia para observar o eclipse de 21 de Agosto de 1914. Freundlich foi feito prisioneiro no início de Agosto, com os restantes membros da expedição, porque eclodiu a I Guerra Mundial – viram ainda confiscado o material. Só seriam libertados em Setembro.

A expedição de Campbell falhou devido ao mau tempo. Outras expedições houve que conheceram o mesmo insucesso, nuns casos porque as condições meteorológicas não ajudaram, noutros porque os resultados foram inconclusivos. Os últimos preparativos das expedições ao Príncipe e a Sobral realizaram-se no Observatório Real de Greenwich, de forma a estar tudo pronto em finais de Fevereiro. Pediram-se instrumentos emprestados, nomeadamente à Academia Real Irlandesa. Com falta de pessoal no Observatório (alguns funcionários ainda mobilizados) conseguiram convencer um engenheiro civil do Colégio Real Marítimo a construir as estruturas das tendas de campanha.


Telescópios e equipamento fotográfico instalados na Ilha do Príncipe pela expedição britânica. O objectivo das observações era medir o desvio na posição aparente de algumas estrelas, provocado pela interposição do campo gravitacional do Sol

Uma segunda expedição dirigiu-se para Sobral, no norte do Brasil, onde o eclipse também foi observado com sucesso, como ilustra esta página da imprensa da época.

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Antes de partir para o Príncipe, Eddington teve necessidade de informações sobre as condições meteorológicas da ilha e de contactos que lhe permitissem obter auxílio. Por isso, manteve correspondência com o Observatório Astronómico de Lisboa que lhe viria a fornecer toda a ajuda necessária. Outro dos responsáveis da expedição, o astrónomo real Frank Dyson, estivera em Portugal a observar o eclipse total do Sol de 1900, e ficara impressionado com o apoio das autoridades portuguesas e do Observatório de Lisboa.

No relatório de Eddington, publicado um ano depois da expedição, está explicito o agradecimento aos portugueses que o ajudaram: «Em Lisboa, o vice-almirante Campos Rodrigues e o Dr. Frederico Oom (Observatório nacional) tinham-nos dado na devida altura, as necessárias cartas de apresentação. Na ilha não se pouparam a esforços para garantir o sucesso e o conforto dos observadores. Ainda a bordo, foram-nos apresentados o administrador em exercício da ilha do Príncipe, o Sr. Carneiro, presidente da Associação de Plantadores, e o Sr. Grageira, representante da Sociedade de Agricultura Colonial, sendo este último quem nos dispensou do exame alfandegário das nossas bagagens.»

Um pouco mais adiante, prossegue: «(…) resolvemos instalar-nos na Roça Sundy, a sede da plantação principal do Sr. Carneiro. Ficámos hospedados em casa deste durante toda a nossa estada e pudemos utilizar amplamente todos os seus consideráveis recursos de mão-de-obra e de material. Soubemos posteriormente que o proprietário tinha adiado a viagem à Europa a fim de nos receber. Muito devemos também ao Sr. Atalaya, capataz da plantação, com quem convivemos durante cinco semanas. O seu auxílio foi-nos precioso.» Este relatório foi, em boa hora, vertido para português por Nunes dos Santos e Christopher Auretta, ambos da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, e pode ser encontrado na obra Eddington e Einstein (Gradiva, Col. Panfletos, 1992).

Escreveu Eddington no seu livro Space, Time and Gravitation, publicado em 1920: «O disco escuro da Lua envolvido pela coroa era visível através das nuvens, tal como naquelas noites em que não se podem observar as estrelas. Nada havia a fazer, a não ser levar por diante o programa estabelecido e esperar que tudo corresse pelo melhor. Um observador mantinha-se ocupado na substituição rápida das chapas, enquanto o outro assegurava as exposições com os devidos tempos de duração, por meio de um anteparo colocado em frente da objectiva, de forma a evitar quaisquer trepidações no telescópio. (…) Há um espectáculo maravilhoso lá em cima, e, como as fotografias revelaram depois, uma magnífica chama-de-protuberância balança-se cento e sessenta mil km acima da superfície do Sol. Nós não temos tempo para lhe prestar atenção. Estamos apenas conscientes da estranha penumbra da paisagem e do silêncio da natureza, quebrado pelas vozes dos observadores e pelo bater do metrónomo marcando os 302 segundos do evento.»

Depois do eclipse, Eddington não pôde efectuar a análise dos resultados na ilha, como pretendia. Uma greve inesperada da companhia de navegação fê-lo regressar no primeiro barco disponível, e, ainda assim, com bilhetes especialmente requisitados pelo Governo português. Apesar disso, teve ainda tempo para revelar as chapas fotográficas e verificar que uma delas apresentava valores coincidentes com as previsões de Einstein. Como referem os biógrafos de Eddington, este terá sido um dos momentos de maior felicidade da sua vida – o próprio Eddington o confessaria mais tarde.

Os resultados das expedições britânicas estiveram longos meses sem uma divulgação alargada. Einstein, em carta enviada a 2 de Setembro, lamentava-se a E. Hartmann pelo facto de ainda não ter recebido notícias. Dez dias mais tarde, quando escreve ao físico holandês Ehrenfest (1880-1933), a declinar um convite para ocupar um lugar na universidade de Leiden, pergunta-lhe se tem notícias das observações inglesas. Ehrenfest fala então com o seu colega Lorentz (1853-1928), que possuía mais contactos no estrangeiro, e, a 27 de Setembro, Einstein recebe um telegrama: «Eddington encontrou deslocamento das estrelas em redor do Sol…»

Einstein deve ter exultado com a notícia, porque no mesmo dia escreve um postal à mãe em que se podia ler: «Boas notícias hoje. H. Lorentz enviou-me um telegrama em que diz que as expedições britânicas confirmaram definitivamente a deflexão da luz pelo Sol (…)» Entretanto continuava a análise cuidadosa dos resultados obtidos no Príncipe. Em 6 de Novembro de 1919, numa reunião conjunta da Royal Society e da Royal Astronomical Society, foram finalmente divulgados os resultados das expedições. Coube a Dyson a apresentação do relatório oficial. A atmosfera de sala, que se encontrava à cunha, parecia própria de uma tragédia grega – segundo as palavras de um dos presentes, o matemático e filósofo Alfred Whitehead (1861-1947). Pendurada na sala, a imagem de Newton lembrava que a maior das generalizações científicas estava agora a sofrer a sua primeira revisão. Em Inglaterra, os grandes jornais fizeram eco imediato do sucesso dos seus astrónomos, bem como das extraordinárias implicações da relatividade geral. Em 15 de Novembro o Times publicava um artigo intitulado «Revolução na Ciência»: «Os ideais de Aristóteles, Euclides e Newton, que são a base das nossas concepções actuais, não correspondem ao que pode ser observado na estrutura do universo (…) Aqui e ali, passado e presente são relativos, não são absolutos, mudam segundo o referencial escolhido (…)»

Em algumas biografias de Einstein, a apresentação dos resultados das expedições ao Príncipe e a Sobral abre um novo capítulo. Como afirma Ronald Clark, na sua extensa biografia de Einstein: «Einstein acordou em Berlim como um homem famoso, na manhã de 7 de Novembro de 1919.»


Luís Tirapicos

A tecnologia moderna superou o experimento de Eddington, de modo a confirmar com maior precisão o resultado de seu trabalho?

Essa pergunta é respondida no enlace (em inglês), abaixo:

Is Technology Too Good for an Old-School Test of Einstein’s Relativity?

http://blogs.discovermagazine.com/crux/2017/05/05/solar-eclipse-einstein-relativity/#.WQ2l9ca1sc8

Tradução automática, abaixo:


A tecnologia é muito boa para um teste da velha escola da relatividade de Einstein?
Por Terena Bell | 5 de maio de 2017 11h45

Em 21 de agosto, sky-gazers de todo o mundo irá convergir nos Estados Unidos como um total eclipse solar gráficos de um caminho de Oregon para a Carolina do Sul. No meio, na montanha de Casper em Wyoming, você encontrará Don Bruns com seu telescópio.

Um físico aposentado, Bruns está usando a rara oportunidade de testar a relatividade geral de Albert Einstein como Sir Arthur Eddington, que foi o primeiro cientista a testar a teoria em 1919. Naquela época, a lei de gravidade universal de Newton ainda era moda, mas Einstein sacudiu O status quo, introduzindo sua teoria da relatividade geral, que fundiu conceitos de tempo e espaço tridimensional em um contínuo de quatro dimensões chamado espaço-tempo. Segundo Einstein, a gravidade não era uma força; Em vez disso, era uma distorção no tecido do espaço-tempo.

O Primeiro Teste

Sua teoria tinha apenas quatro anos quando Eddington pôs isto à prova durante um eclipse em 1919. Tanto as teorias de Einstein como de Newton indicavam que a luz de objetos distantes se curvaria, ou dobraria, ao passar por campos gravitacionais de objetos maciços, como o dom. A teoria de Einstein indicou que o sol iria dobrar a luz de uma estrela por um minúsculo 1,75 arcseconds-apenas 0.000486 de um grau-enquanto a gravidade de Newton predicado starlight dobraria pela metade dessa quantidade. Para ver quem estava correto, você só precisaria comparar as posições aparentes das estrelas à noite para sua posição durante o dia, quando sua luz passou pelo campo gravitacional do sol.



Ângulo Newton Einstein



Obs.: para ver o desenho inteiro, clique nesse enlace:
http://blogs.discovermagazine.com/crux/files/2017/05/Einstein-Newton-angle-1024x528.jpeg

Um eclipse foi o momento perfeito para realizar esse teste. Em janeiro de 1919, Eddington fotografou as posições reais das estrelas no grupo de Hyades, porque a luz destas estrelas passa através do campo gravitacional do sol. Mas para realizar a segunda metade da experiência, é preciso fotografar as mesmas estrelas durante o dia, mas na escuridão. Em maio, ele fotografou o mesmo grupo durante um eclipse, quando estrelas no Hyades permaneceu visível. Colocando uma imagem de posições de estrelas reais sobre imagens de suas posições durante o eclipse, Eddington poderia medir a mudança aparente causada pela gravidade do sol.

Quando Eddington comparou as duas imagens, uma mudança foi claramente visível. E com base em seus cálculos, Eddington concluiu que a teoria da relatividade previu com mais precisão a quantidade de luz dobrada do que a de Newton.

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Uma das placas fotográficas de Eddington de sua experiência de 1919.
A mudança na luz das estrelas é marcada com linhas fracas na imagem. (Crédito: Wikimedia Commons)

Assim como quando cientistas do Observatório de Ondas Gravitacionais do Interferômetro Laser confirmaram a primeira detecção de uma onda gravitacional em 2015, a descoberta de Eddington foi notícia de primeira página. Ele se tornou uma estrela. No entanto, após a inspeção, os resultados deixaram muito a desejar para muitos cientistas. Eddington usou placas fotográficas de nitrato de prata para capturar imagens do céu ea resolução da imagem não era precisa. Além disso, uma das três placas fotográficas produziu uma medida que teria confirmado a teoria da gravidade de Newton, mas foi removida da experiência devido a um "erro sistêmico".

Eddington também era um pacifista conhecido e alguns cientistas acreditavam que sua experiência foi realizada com viés de confirmação. Após a Primeira Guerra Mundial, as relações entre cientistas na Alemanha e no Reino Unido foram desgastadas para dizer o mínimo. Alguns especularam que Eddington, um britânico, desmentiu o compatriota Newton a favor de Einstein, um alemão, num ato de diplomacia científica internacional para curar feridas antigas.

Mesmo Stephen Hawking tinha dúvidas sobre os resultados de Eddington, como ele escreveu em sua Breve História do Tempo . Ainda assim, outros físicos argumentam que se apresentassem os dados de Eddington hoje, muitos físicos chegarão à mesma conclusão.

Outro teste

Assim, voltamos ao cientista cidadão Bruns que, de certo modo, tentará vindicar Eddington e provar que suas descobertas se levantam. Mas quase 100 anos depois, a tentativa de Bruns pode ser frustrada por tecnologia que é realmente muito boa.

A fotografia moderna há muito se moveu além das placas, mas neste caso, a marcha do progresso tecnológico não produz necessariamente melhores resultados. Para obter uma resolução mais clara, as câmeras digitais usam pixels que são muito grandes, mesmo em um nível micro, para capturar o deslocamento de posição aparente que prova a relatividade.

A experiência original de Eddington mostrou que a luz do sol dobra a posição aparente por apenas 1,75 arco-segundos. Quando a luz cai na linha entre dois pixels, o software de imagem o encaminha para um pixel vizinho. Assim, se o centroide de uma estrela cair na linha, a imagem irá revelar variações que são maiores ou menores do que realmente existe.

Preparação de Bourns



Configuração de Bruns para o dia do eclipse. (Cortesia: Don Bruns)


"É a experiência mais desafiadora que já fiz em minha carreira", diz ele. Em 1973, a última vez que um experimento da relatividade foi conduzido durante um eclipse solar total, a tecnologia "foi considerada antiga. Quero dizer placas de vidro, sem computadores, é realmente uma era diferente. Então eu pensei em 2017 ... seria um pedaço de bolo, não é um problema. Bem, parece que ainda é muito difícil. "

Bruns afirma que não há "valor científico" para o que ele está fazendo; Ele diz que está apenas testando a relatividade para se divertir. Em fevereiro de 2016, você vai se lembrar, os cientistas anunciaram a primeira detecção de onda gravitacional, confirmando que Einstein estava correto o tempo todo. Ainda assim, como os caçadores de números que calculam pi para um número cada vez maior de dígitos, às vezes o ato da ciência é uma recompensa em si mesmo.

Alex King, presidente de física e astronomia na Austin Peay State University, discordaria com Bruns. King acredita que há certamente uma razão científica convincente para conduzir uma experiência da velha escola. As falhas de resolução nas fotos de Eddington foram razão suficiente para APSU para buscar financiamento para realizar a mesma experiência neste verão. Mas os esforços da APSU foram bloqueados pelo que King chama de politização do "financiamento da ciência básica" - eles não conseguiram o dinheiro.

Felizmente, Bruns tem a experiência de puxá-lo fora no dia ecplise. Em 1992, Bruns fundou uma empresa chamada Stellar Products que fabricava sistemas de óptica adaptativa padrão. Bruns deixou a Stellar em 2014, mas essa experiência lhe deu um profundo conhecimento sobre as opções de equipamentos que funcionariam bem. Quando ele escolheu o Finger Lakes ML8051 câmera, o fabricante emprestou-lhe um de graça. Ele então montará a câmera em um telescópio TeleVue NP101 para otimizar a relação focal. Infelizmente, contanto que se baseie em pixels para fazer uma imagem, haverá alguma margem de erro. Depois de algumas provas, Bruns acredita que ele reduziu a margem para cerca de 1%. Ele diz que outros cientistas cidadãos que tentaram o experimento só conseguiram reduzir suas margens de erro para 10%.

A câmera que Bruns escolheu é monocromática - dispara em preto e branco. A fotografia em cores digital funciona como o pointillismo; Em vez de pintar uma imagem sólida, captura a imagem em pontos minúsculos. Segundo Bruns, quando uma câmera digital dispara em cores cada pixel tem uma resposta diferente à luz, o que afeta a precisão.

"Eles costumavam ter esses longos telescópios de 15 e 20 pés de comprimento operando em uma relação focal muito pequena", diz ele, referindo-se a Eddington e outros cientistas na era de Einstein. "Mas agora temos um telescópio compacto muito curto. É apenas como 2 metros de comprimento, mas a distorção óptica é agora um problema. "

Os telescópios mais curtos e modernos corrigem o coma e as aberrações ópticas, mas o erro que causam na distorção é maior que o erro das deflexões de Einstein, diz Bruns. Em outras palavras, não importa o que, Bruns está fazendo trade-offs.

Apenas por diversão

No caso de Bruns, um dos maiores trade-offs é o seu tempo. Quando falou com o Discover , já passara cerca de 2.000 horas resolvendo a distorção sozinho. Isso é quase 4000 horas de projeto total, o restante do qual ele dedicou a classificação através de gráficos de estrela para dados de comparação de base, software de escrita para melhor processar seus dados e abordar todas as outras partes da experiência que poderia afetar margem de erro. Ele até estudou como minimizar o impacto da brisa e da turbulência atmosférica, que Burns diz que pode espalhar a luz das estrelas em três a quatro pixels.

Durante a totalidade, Bruns planeja tomar imagens de calibração, algo que os cientistas de outrora decidiram não fazer. Pergunte por que e ele lhe falará sobre Erwin Finlay-Freundlich, um físico que "estava um pouco frustrado [que] depois de 3 ou 4 eclipses ... ninguém fez o experimento absolutamente certo."

"Você precisa tirar fotos das estrelas durante o eclipse, mas também precisa tomar imagens de calibração durante o eclipse", diz Bruns citando o método de Finlay-Freundlich . "E muitas pessoas, naturalmente, não queriam fazer isso porque os eclipses só duram 3 a 5 minutos, e as exposições cada um levou um minuto ou dois, então eles não queriam perder tempo durante a totalidade de tomar imagens de calibração. "

No seu ponto de maior duração, o eclipse 2017 vai durar 2 minutos, 40,2 segundos. Felizmente, a fotografia digital pode obter a exposição necessária em milissegundos. Isso significa que Bruns pode testar a relatividade do método de Finlay-Freundlich. E quando ele faz, ele diz que vai ser a primeira pessoa na história a fazê-lo a partir do solo.

"Só por diversão".

Hoje sabemos que não é só o Sol que cria essas distorções na Luz.
A terra e inclusive a Lua também faz isso, só que em menor escala.

Na verdade, tudo faria, até um corpo humano, se tivéssemos aparelhos adequados para detectar.

Apesar de que nunca foi detectado a gravidade em algum corpo pequeno..
Se nunca for, então a gravidade é bem diferente doq pensamos..

Pois é, Xevious...

Pena que nenhum eclipse, até hoje, aconteceu dentro do alcance de telescópios gigantescos, como o do Monte Palomar, Havaí ou do Deserto de Atacama, no Chile.

Isto sim seria uma prova para não deixar a menor dúvida.