A órbita de Mercúrio balança lentamente ao redor do sol, e quando os astrônomos subtraem o puxão de todos os outros planetas do sistema solar, as próprias equações de Newton ainda ficam aquém da oscilação observada em 43 arcossegundos por século. Parece um erro de arredondamento. É na verdade a rachadura que eventualmente forçou os físicos a reescrever a gravidade do zero.
A gravidade mantém as luas em órbita, mantém os rios correndo ladeira abaixo e fixa cada leitor em sua cadeira, mas levou mais de mil anos de suposições, uma equação Newtoniana e o devaneio de um funcionário de patentes em Berna para obter uma descrição funcional dela. Mesmo assim, a gravidade provou ser estranha o suficiente para que sua atração entre dois elétrons seja apenas 1 parte em 4,17×10⁴² da repulsão elétrica entre eles — uma força tão fraca em escala atômica que seu domínio sobre planetas e galáxias pode parecer uma contradição.
Aqui está o que o registro realmente mostra: quem adivinhou gravidade séculos antes de Newton, como sua lei foi testada e onde quebrou, e o que a substituiu.
A Longa Pré-História da Gravidade
A ideia de que as coisas caem em direção à Terra é antiga, mas a ideia de que a gravidade poderia funcionar da mesma forma em qualquer lugar é muito mais antiga que Newton. O matemático e astrônomo indiano Brahmagupta, escrevendo em 628 d.C., descreveu a gravidade como um puxão que atrai objetos em direção à Terra — ele o chamava de gurutvakarshan, um termo que antecede a Principia de Newton em mais de mil anos.
Muito antes de alguém poder medir a gravidade com precisão, era necessário que alguém mostrasse que seu puxão não se importa com o peso de um objeto. Em 1586, o físico flamengo Simon Stevin derrubou dois canhões de tamanhos e pesos muito diferentes de uma torre em Delft e descobriu que eles atingiram o chão quase simultaneamente, uma demonstração diretamente observada de que o peso sozinho não determina a rapidez com que algo cai.
A Equação de Newton, Testada em um Porão
Isaac Newton incorporou observações como a de Stevin em uma única lei em Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, o livro que publicou em 5 de julho de 1687. Reduziu a gravidade a uma única fórmula e elegante, F = Gm1m2/r², onde G é uma constante definida em 6,674×10⁻¹¹ — um número tão pequeno que seu efeito entre dois objetos comuns é quase impossível de sentir.
Newton nunca mediu G ele mesmo. Levou mais de um século para que Henry Cavendish, um cientista britânico, realizasse o primeiro teste de laboratório da lei da gravitação de Newton: em 1798, ele pesou esferas de chumbo uma contra a outra para mostrar que a mesma força que atrai planetas também age entre objetos em uma mesa.
De um Planeta Previsto a uma Oscilação Inexplicável
A lei de Newton era precisa o suficiente para fazer algo notável: encontrar um planeta que ninguém havia visto. Em 1846, John Couch Adams e Urbain Le Verrier, trabalhando independentemente como astrônomos, calcularam onde um corpo invisível tinha que estar puxando a órbita de um planeta vizinho, e um telescópio apontado para essa parte do céu encontrou Netuno quase em um dia.
Mas a mesma lei produziu uma pequena discrepância persistente muito mais perto de casa. Uma vez que o puxão gravitacional de todos os outros planetas é subtraído da órbita de Mercúrio, as equações de Newton ainda ficam aquém da oscilação observada em 43 arcossegundos por século — pequeno demais para importar na maioria dos objetivos, mas grande demais para os físicos apenas encolherem os ombros.
A Nova Imagem de Queda de Einstein
A solução eventualmente veio de um funcionário de patentes em Berna. Em 1905, Albert Einstein publicou o artigo que introduziu a relatividade especial, revertendo como os físicos pensavam sobre espaço e tempo.
Dois anos depois, ele teve o que mais tarde chamaria de a realização mais feliz de sua vida: alguém em queda livre se sente sem peso, como se a gravidade simplesmente tivesse desligado para eles. Trabalhar essa ideia através da matemática levou mais oito anos, e Einstein não publicou sua teoria geral completa da relatividade até 1915.
A nova teoria conquistou seu lugar quase imediatamente. Suas previsões coincidiam com a estranha oscilação orbital de Mercúrio, e também explicavam por que a luz das estrelas se curva quando passa perto do sol — fechando a lacuna exata que as equações de Newton nunca poderiam contabilizar.
Escutando Ondulações no Espaço-Tempo
A relatividade geral também previu que objetos maciços e acelerados deveriam sacudir o próprio espaço-tempo, emitindo ondas gravitacionais. A primeira evidência disso veio indiretamente: os astrônomos Hulse e Taylor rastrearam o pulsar binário PSR1913+16, que haviam encontrado em 1974, e viram sua órbita encolher exatamente na velocidade que a emissão de ondas gravitacionais preveria. A descoberta os rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1993.
A prova direta esperou outra geração. As colaborações LIGO e Virgo anunciaram em 11 de fevereiro de 2016 que haviam detectado uma onda gravitacional real: um sinal chamado GW150914 que chegou em 14 de setembro de 2015 às 09:50:45 GMT em ponto. Tinha sido produzido por dois buracos negros, pesando 29 e 36 vezes a massa do sol, espiralando e se unindo aproximadamente 1,3 bilhão de anos-luz da Terra.
A Gravidade Depende de Onde Você Está
Mesmo sem deixar o planeta, a gravidade não é um número fixo. O puxão da Terra varia cerca de 0,7 por cento em toda a sua superfície, de um mínimo de 9,7639 m/s² no topo do Nevado Huascarán no Peru, até um máximo de 9,8337 m/s² na superfície do Oceano Ártico.
Essas saliências e depressões aparecem claramente em mapas de gravidade por satélite, creditados às missões CHAMP e GRACE junto com as agências GFZ, NASA e DLR, que revelam por que algumas partes da Terra puxam um pouco mais forte que outras. O mapa circulou amplamente depois de ser produzido em 2005, e uma versão ainda mais sensível seguiu em 2011 conforme os instrumentos melhoraram.