A Variabilidade da Constante Gravitacional Universal

0
579
Gravitação Universal

A constante gravitacional universal, G, surgiu pela primeira vez na equação gravitacional de Newton, que afirma que a força da atracção gravitacional é igual a G multiplicado pelo produto das massas que se atraem a dividir pelo quadrado da distância que as separa. O valor desta constante já foi medido muitas vezes desde a primeira experiência de precisão, realizada por Henry Cavendish em 1798. São os “melhores” valores obtidos ao longo dos últimos cerca de cem anos. A princípio, os valores eram muito díspares, tendo depois começado a convergir para um número consensual. Mas mesmo de 1970 para cá os “melhores” valores oscilaram entre 6.669,9 e 6.674,5, o que representa uma diferença de 0,07% (As unidades em que estes valores estão expressos são x lO-ii m3 kg-i s-2.)

Não obstante a importância fundamental da constante gravitacional universal, ela é a menos bem definida de todas as constantes fundamentais. Têm fracassado as tentativas de levar a sua precisão ao nível das muitas casas decimais; as medições variam muito. O editor da revista científica Nature considera “uma nódoa na cara da física” o facto de o valor de G manter uma inexactidão da ordem de 1 por 5.000. Com efeito, nos últimos anos, a incerteza verificada foi tão grande que se chegou ao ponto de postular a existência de forças completamente novas para explicar as anomalias gravitacionais.

Lei da gravitação universa
Lei da gravitação universal

No princípio da década de 1980Frank Stacey e os seus colegas mediram G em minas de profundidade e buracos de perfuração, na Austrália. O valor a que chegaram era cerca de 1% superior ao que é geralmente aceite. Por exemplo, num conjunto de medições realizadas na mina Hilton, em Queensland, chegou-se a um valor de G de 6,734 ± 0,002, contra o valor de 6,672 ± 0,003 geralmente aceite. Os resultados australianos são replicáveis e consistentes, mas até 1986 ninguém lhes deu grande atenção. Nesse ano, Ephrain Fischbach, da Universidade de Washington, em Seattle, agitou com ondas de choque o mundo da Ciência ao afirmar que também em testes de laboratório se tinham verificado ligeiros desvios à lei da gravidade de Newton, em linha com os resultados australianos. Ele e os colegas analisaram de novo os dados de uma série de experiências realizadas por Roland Eõtvõs nos anos 20 do mesmo século, um dos exemplos clássicos de medição exacta, e concluiu que havia uma anomalia sistemática oculta nos dados, que tinha sido descartada como erro aleatório. Com base nestes resultados laboratoriais e nas observações feitas nas minas australianas, Fischbach propôs a existência de uma força de repulsão até então desconhecida, a chamada quinta força (as quatro forças conhecidas são as forças nucleares forte e fraca, a força electromagnética e a gravidade). Nos anos que se seguiram obtiveram-se novos indícios da quinta força através de rigorosas medições da gravidade em minas de profundidade, em perfurações na calote gelada do Árctico e em torres de grande altura. Para a interpretação destes resultados era necessário tomar em linha de conta a geologia local, uma vez que a densidade das formações rochosas circundantes influencia as medições da gravidade. Os experimentadores tinham plena consciência disto e procederam às necessárias correcções. Mas os cépticos argumentaram que os resultados eram devidos a rochas ocultas de densidade invulgarmente alta, avançando como explicação para os resultados a presença de afloramentos rochosos. Até ver, prevalece o ponto de vista dos cépticos, se bem que a existência da quinta força continue a ser uma questão em aberto e tema de intensa investigação teórica e experimental.

A possível existência de uma quinta força não é particularmente relevante para as possíveis variações de G ao longo do tempo. Mas o simples facto de, nos finais do Século XX, se poder levantar e considerar seriamente a questão de uma quinta força com influência na gravidade vem demonstrar como continua a ser imprecisa a caracterização da gravidade, mais de três séculos depois da publicação dos Principia de Newton.

A sugestão de Paul Dirac e outros físicos teóricos, de que G pode estar a diminuir à medida que o universo se expande, tem sido levada muito a sério por alguns metrologistas. No entanto, a alteração que Dirac propunha era muito diminuta, da ordem das 5 partes em 1011 por ano. Este valor é muito inferior aos limites de detecção possibilitados pelo recurso aos métodos convencionais de detecção de G na Terra. Os “melhores” resultados obtidos nos últimos vinte anos diferem entre si em mais de 5 partes em 104. Por outras palavras, a alteração sugerida por Dirac seria cerca de dez milhões de vezes menor do que as diferenças registadas entre os “melhores” valores recentes.

Paul Dirac
Paul Dirac

Para testar a hipótese de Dirac, ensaiaram-se vários métodos indirectos. Alguns assentam em dados geológicos, tais como as inclinações das dunas de areia fóssil, a partir das quais é possível calcular as forças de gravidade na altura em que as dunas se formaram; outras têm por base os registos de eclipses ao longo dos últimos 3000 anos; outros recorrem a métodos da Astronomia. Num deles, verificou-se a distância da Lua a intervalos regulares recorrendo a uma sofisticada forma de radar cujo funcionamento foi possível graças à colocação de uma bateria de reflectores na superfície da Lua, no âmbito do programa espacial. Mediu-se, a intervalos regulares, o tempo de voo de impulsos de laser lançados e detectados por um telescópio. Uma técnica de radar mais rigorosa foi a que resultou da missão da Viking a Marte, em que os impulsos eram transmitidos de volta à terra por sondas que desciam na superfície daquele planeta. Essas medições foram realizadas de modo continuado entre 1976 e 1982. Partindo de um valor fixo para a velocidade da luz, estas técnicas de radar permitiram medir a distância de Marte à Terra com uma precisão de metros. Depois, com base em complexos modelos matemáticos das órbitas dos vários corpos do sistema solar, procedeu-se à análise dos dados para verificar se eram consistentes com um valor constante de G. Mas os cálculos implicavam muitas incertezas, incluindo pressupostos sobre a interferência de grandes asteróides de massa desconhecida com a órbita de Marte. Uma das formas de cálculo deu resultados consistentes com G que variavam menos de 0,2 partes em 10n por ano. Outro cálculo baseado nos mesmos dados apontava para uma variação mais de dez vezes superior, mas ainda inferior a 1 por 1010 por ano.

Há um outro método astronómico que consiste em estudar a dinâmica de um pulsar binário remoto para verificar se ela é consistente com um valor de G que é constante ao longo do período de observação. Também aqui se tem de partir de muitos pressupostos para fazer os cálculos, o que os torna questionáveis por quem quer que se proponha alterar os pressupostos.

No entender de certos físicos, pelo menos uma parte dos dados aponta para ligeiras variações de G ao longo do tempo. Com base em dados lunares, alguns chegaram à conclusão de que G pode estar a mudar pelo menos na medida proposta por Dirac; outros acham que não. Estes diferentes estudos foram interpretados pelo decano da metrologia britânica, Brian Petley, nos seguintes termos:

Partindo do princípio de que podemos confiar nas escalas cosmológicas do tempo e de que é suficiente aquilo que sabemos da gravidade, as variações de G são inferiores a cerca de 1 por 1010 ao ano. Esta conclusão é apoiada por uma vasta série de indícios, alguns dos quais de experiências de duração muito limitada. Pondo de parte a alteração postulada por Dirac, restam-nos alterações de G de diminuto alcance temporal, ou o eventual postulado de uma variação cíclica com pouca expressão na época actual.

Medição da distância de Marte à Terra
Medição da distância de Marte à Terra

O problema de todas estas linhas indirectas de prova é que elas assentam numa complexa teia de pressupostos teóricos, entre os quais a constância das outras constantes da natureza. Só são convincentes no quadro do presente paradigma. O que quer dizer que, se partirmos do princípio de que estão correctas as modernas teorias cosmológicas, que por sua vez pressupõem a constância de G, os dados são internamente consistentes, desde que se considere que todas as variações efectivas registadas de experiência para experiência, ou de método para método, são resultado de erro.

De acordo com a teoria da relatividade de Einstein, a velocidade da luz no vácuo é invariante: é uma constante absoluta. Grande parte da física moderna assenta neste pressuposto. Existe, no entanto, uma grande resistência teórica à possibilidade de levantar a questão das possíveis variações de velocidade da luz. Seja como for, a questão está agora oficialmente encerrada. Desde 1972 que a velocidade da luz está fixada por definição. O seu valor está definido em 299.792,458 ± 0,001 # 2 quilómetros por segundo.

Tal como no caso da constante gravitacional universal, as primeiras medições de C diferiam consideravelmente do actual valor oficial. Por exemplo, a medição que Römer fez em 1676 era cerca de 30% menor, e a de Fizeau, em 1849, cerca de 5% maior.  À primeira vista, parece tratar-se de mais um brilhante exemplo do progresso da Ciência exacta, numa crescente aproximação da verdade. Mas os factos, analisados ao pormenor, são mais complexos.

Teoria da Relatividade
Teoria da Relatividade

Em 1929Birge publicava a sua análise de todos os dados disponíveis até 1927 e chegava à conclusão de que o melhor valor para a velocidade da luz era de 299.796 ± 4km/s. Chamava a atenção para o facto de o erro provável ser muito inferior ao de qualquer das outras constantes, e concluía que “o actual valor de C é inteiramente satisfatório e pode considerar-se mais ou menos definitivamente definido”. Todavia, no preciso momento em que escrevia, havia quem chegasse a valores de C consideravelmente inferiores, e em 1934 Gheury de Bray sugeriu que os dados apontariam para uma variação cíclica da velocidade da luz.

De cerca de 1928 até 1945, a velocidade da luz parecia perto de 20 km/s menor do que depois desse período.

Os “melhores” valores, a que chegaram os principais investigadores recorrendo a várias técnicas, apresentavam uma impressionante coincidência, e os dados disponíveis foram conjugados e ajustados por Birge em 1941 e por Dorsey em 1945.

Em finais da década de 1940, a velocidade da luz voltou a subir. Como seria de esperar, o derrube do valor anterior começou por provocar alguma turbulência. O novo valor era cerca de 20 km/s superior, aproximando-se do que vigorava em 1927. Gerou-se um novo consenso. Resta saber quanto tempo teria durado esse consenso se fosse baseado em medições constantes. Na prática, evitou-se o reacender das discordâncias fixando por definição, em 1972, a velocidade da luz.

Como se poderá explicar a velocidade inferior registada de 1928 a 1945? Se se tratou apenas de um erro experimental, porque é que os resultados de diversos investigadores e diversos métodos eram tão convergentes? E porque é que eram tão baixos os erros estimados?

Velocidade da luz
Velocidade da luz

Uma possibilidade é que a velocidade da luz flutue de facto de tempos a tempos. Talvez tenha mesmo caído durante perto de vinte anos. Mas nenhum investigador desta área considerou seriamente esta possibilidade, a não ser de Bray. Está tão arreigada a convicção de que ela tem de ser fixa que se sente a necessidade de minimizar a importância dos dados empíricos. Este notável episódio da história da velocidade da luz é hoje em dia geralmente atribuído à Psicologia dos metrologistas:

À tendência que as experiências realizadas numa determinada época mostram para concordar umas com as outras tem-se chamado, simpaticamente, “convergência intelectual”. A generalidade dos metrologistas está plenamente consciente da possível existência de tais efeitos; aliás, há sempre um colega prestimoso pronto a chamar a atenção para eles!… À parte a descoberta de erros, a aproximação da conclusão da experiência suscita uma discussão mais frequente e estimulante com colegas interessados e a preparação do relatório da dita experiência acrescenta uma perspectiva nova. Todas estas circunstâncias se conjugam no sentido de impedir que o que se pretendia fosse “o resultado final” ou seja de facto, e daí que seja fácil de fazer, e difícil de refutar, a acusação de que o mais natural é que uma pessoa deixe de se preocupar com correcções quando o valor se aproxima muito de outros resultados.

Mas se as variações passadas dos valores das constantes são atribuídas à Psicologia dos experimentadores, então, como observaram outros metrologistas eminentes, “isso levanta uma questão desconcertante: Como é que sabemos que esse factor psicológico não é igualmente importante nos nossos dias?” No caso da velocidade da luz, porém, esta questão é hoje académica. Não só a velocidade da luz está assente por definição como as próprias unidades de medida dessa velocidade, a distância e o tempo, estão definidas em termos da própria luz.

O segundo era antigamente definido como 1/86400 de um dia solar médio, mas agora é definido em termos da frequência da luz emitida por um tipo específico de excitação de átomos de césio 133. Um segundo é 9.192,631,770 vezes o período de vibração da luz. Entretanto, desde 1983 que o metro é definido em termos da velocidade da luz, que por sua vez está fixada por definição.

Como salientou Brian Petley, é concebível que:

movimento Terra_sol
Órbita da Terra em redor do Sol

“A velocidade da luz varie com o andar do tempo, ou dependa da sua direcção no espaço, ou seja influenciada pelo movimento da Terra à volta do Sol, pelo movimento dentro da nossa galáxia ou por algum outro quadro de referência.”

Acontece, porém, que, se tais variações se verificassem de facto, nós não nos aperceberíamos delas. Estamos prisioneiros de um sistema artificial em que não só essas variações são impossíveis por definição mas também seriam impossíveis de detectar na prática, dada a forma como se faz a definição das unidades. Qualquer variação na velocidade da luz alteraria de tal forma as próprias unidades que a velocidade em quilómetros por segundo se manteria exactamente a mesma.

Fonte: LIVRO: «7 Experiências que podem mudar o Mundo» de Rupert Sheldrake

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here