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TERÁ GALILEO ERRADO?

6 de Maio 2004 - Há 400 anos - diz a história. - Galileo começou a deixar cair coisas da Torre Inclinada de Pisa: bolas de canhão, balas de mosquete , ouro, prata e madeira. Ele esperava que os objectos mais pesados caíssem mais rápido. Tal não sucedeu. Eles atingiram o chão ao mesmo tempo, e ele fez uma grande descoberta: a gravidade acelera todos os corpos a uma mesma razão, independentemente da sua massa ou composição.

Direita: Um esboço da lendária experiência de Galileo.

Hoje em dia, isto é chamado "Universalidade da queda livre" ou "princípio da equivalência" e é um dos pilares da actual Física. Em particular, Einstein construiu a sua teoria da gravidade, isto é, a teoria geral da relatividade, assumindo que o princípio da equivalência é verdadeiro.

Mas e se estivesse errado?

"Algumas teorias actuais, na realidade, sugerem que a aceleração da gravidade depende da composição  material do objecto de uma forma muito subtil," diz Jim Williams, um físico do Jet Propulsion Laboratory da NASA. Se assim for, a teoria da relatividade precisaria de ser revista - haveria uma revolução na Física.

Um grupo de investigadores financiado pela NASA irá testar o princípio da equivalência ao emitir feixes de laser para a Lua.

"A medição  por laser da distância lunar é uma das ferramentas mais importantes que temos para procurar  falhas na teoria geral da relatividade de Einstein," diz Slava Turyshev, um cientista do JPL que trabalha com Jim Williams e outros no projecto.
 

Esquerda: Uma série de retrorreflectores deixados na Lua por astronautas da Apollo 14. Espelhos semelhantes foram colocados por astronautas da Apollo 11 e Apollo 15 e por um par de rovers Lunokhod da era soviética.

A sua experiência é possível porque, há mais de 30 anos, astronautas das missões Apollo colocaram espelhos na Lua - uma série de pequenos retrorreflectores que podem interceptar feixes de laser da Terra e reenviá-los de volta à Terra. Usando lasers e espelhos, os investigadores podem "alvejar" a Lua e monitorizar com precisão o seu movimento em torno da Terra.

Trata-se de uma versão actualizada da experiência da Torre Inclinada de Pisa. Em vez de deixar cair bolas para o solo, os investigadores observarão a Terra e a Lua a cair em direcção ao Sol. Como as balas de mosquete e as bolas de canhão em queda a partir da torre, a Terra e a Lua são compostas de uma mistura de elementos diferentes, e têm massas diferentes. Serão aceleradas na mesma razão em direcção ao Sol? Se afirmativo, o princípio da equivalência manter-se-á. Em caso contrário, a revolução pode estar a caminho.

Uma violação do princípio da equivalência revelar-se-ia como um desvio na órbita da Lua, quer na direcção do Sol quer na direcção oposta. "Usando massas tão grandes como a da Terra e a da Lua, poderemos ser capazes de mostrar este efeito subtil, se realmente existe," anota Williams.

Os cientistas têm estado a "alvejar" a Lua desde os dias da missão Apollo. Até hoje, a teoria geral da relatividade de Einstein - e o princípio da equivalência - tem resistido, com uma precisão de poucas partes em 10¹³. Mas não é suficientemente boa para testar todas as teorias em compita para derrubar a teoria de Einstein.

A actual medição por laser lunar pode determinar a distância à Lua - grosseiramente 385 000 km - com um erro de cerca de 1,7 cm. A partir deste Outono, um novo equipamento financiado pela NASA e National Science Foundation irá aumentar esta precisão 10 vezes mais para apenas 1 mm a 2 mm. Este salto na precisão significará que os cientistas podem detectar desvios da teoria de Einstein 10 vezes mais pequenos do que é possível actualmente, o que pode ser suficientemente sensível para encontrar as primeiras evidências de falhas.

Para atingir esta precisão, o equipamento, chamado Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation deve cronometrar a viagem ida e volta dos impulsos de laser enviados para a Lua dentro de poucos picosegundos, ou cerca de 10^-12 segundos. A velocidade da luz é conhecida - tem cerca de 300 000 km/s - portanto ao medir o tempo de viagem para o pulso de laser informa os cientistas relativamente à distância entre o telescópio APOLLO e o espelho localizado na superfície da Lua.
 

Direita: A medição do laser lunar funciona disparando impulsos de laser para os reflectores na superfície da Lua e captando os fotões que regressam. Aqui mostra-se a experiência da medição de laser.
 

Como é que o projecto APOLLO permite atingir esta melhoria de 10 vezes? Antes de mais, usa um  telescópio maior que o anterior no observatório McDonald no Texas - 3,5 m contra 0,7 m. O espelho maior permite que APOLLO capte mais fotões de luz que regressam da Lua, explica Tom Murphy, um professor na Universidade da California, San Diego, e o cérebro que está por trás do projecto APOLLO. O telescópio mais pequeno, em média, capta um único fotão de cada 100 impulsos de laser emitidos (cada impulso contém mais do que 10¹⁷ fotões!); o telescópio APOLLO captará cerca de 5 fotões a cada pulso, que melhorará grandemente a força estatística dos resultados.
 

Várias perturbações potenciais tiveram de ser estimadas.  A atmosfera da Terra, por exemplo, pode distorcer o caminho do impulso de laser, da mesma forma que faz com que a luz das estrelas cintile e tremule. E os pequenos movimentos tectónicos da superfície abaixo do observatório APOLLO, tipicamente poucos centímetros por ano, pode falsear os resultados a longo prazo. Por isso, os responsáveis pelo projecto escolheram o cume de uma montanha próximo de White Sands, New Mexico, que goza de uma atmosfera particularmente calma e um solo relativamente estável. Adicionalmente, eles instalarão um gravímetro supercondutor e um sensor Global Positioning System ao lado do observatório para detectar pequenos movimentos lentos do solo, e uma série de barómetros de precisão farão um mapa do estado da atmosfera.

Esquerda: As localizações dos retrorreflectores lunares. Os sítios assinalados com "A" são os locais de aterragem da Apollo. Os sítios marcados com "L" denotam a presença dos rovers soviéticos.

Williams e Turyshev recentemente receberam uma permissão da Office of Biological and Physical Research da NASA para melhorar o software de análise da medição do laser lunar por uma ordem de magnitude que coincida com a capacidade do local do New Mexico. "Será necessário lidar com muitos efeitos pequenos à escala milimétrica," anota Turyshev.

Através da análise cuidadosa de tais pequenos efeitos, a universalidade da queda livre... pode cair.

Muitos físicos dariam as boas vindas a novidades. Eles têm ficado intrigados durante anos pela curiosa incompatibilidade entre a teoria geral da relatividade e a mecânica quântica. As duas teorias, tão bem sucedidas nos seus próprios domínios, são como linguagens diferentes descrevendo o Universo de formas totalmente diferentes. Descobrir uma falha nos alicerces da relatividade poderia conduzir a uma nova "Teoria do Tudo", finalmente combinando a Física quântica e gravidade numa estrutura harmoniosa.

De Pisa, Itália; à Lua, a White Sands, New Mexico: isto é uma experiência de longo alcance, abarcando centenas de anos e centenas de milhares de quilometros. Em breve, talvez, tenhamos as respostas.