Quando distancio a vista.

Não sei. Sei nunca. Sei que não sei. Filosoficamente pareceu-me familiar. Foi o riso que saiu antes da hora. Deve ter sido alguma coisa que você não disse e que me fez lembrar. A gesticulação dos teus lábios pela lembrança. Ainda não sei, talvez eu saiba e quem souber que conte outra. 1,2,3,4 não cinco e não seis. Sei não porque nem a vida tem razão. Musicalmente soou familiar. Chorei antecipadamente. Deve ter sido alguma canção que deixei escapulir observando o movimento de suas sobrancelhas, e do outro, da outra e também daquele desconhecido tão previsível. Coitado. O mistério é o que nos resta quando não há reconhecimento. Mísero mistério habitante das entrelinhas. Míseras estrelas que na distância dos corpos, mantém um passado belo e misterioso.

Rosa de Hiroshima

Entre as consequências da famosa equação de Einstein, estava a percepção de que, se um núcleo de átomo de urânio se fissionar em dois núcleos com massa total ligeiramente menor, uma tremenda quantidade de energia será liberada.

Em 1939, diante da crescente perspectiva de uma outra guerra mundial, um grupo de cientistas que percebeu essa potencialidade persuadiu Einstein a superar seus escrúpulos pacifistas e, exercendo sua autoridade científica, escrever uma carta ao presidente Roosevelt exortando os Estados Unidos a iniciar um programa de pesquisa nuclear. Isso levou ao projeto Manhattan e, consequentemente, às bombas de Hiroshima e Nagasaki em 1945.

Carta profética de Einstein aos presidente Roosevelt em 1939:
"Nos últimos quatro meses, fez-se provável - através do trabalho de Joliot, na França, bem como de Fermi e Szilard, nos Estados Unidos - que venha a ser possível provocar uma relação nuclear em cadeia em uma grande massa de urânio, o que geraria imensa quantidade de energia e novos elementos semelhantes ao rádio. Agora parece quase certo que se possa conseguir isso no futuro imediato. Esse novo fenômeno levaria também à construção de bombas, e é concebível - embora muito menos certo - que um novo tipo de bombas poderosíssimas possa então ser construído."

Deus não joga dados - História da astronomia 2

(Síntese feita a partir dos livros "Uma Breve História do Tempo, do Bing Bang aos Buracos Negros", "O Universo numa Casca de Noz" de Stephen W. Hawking, "Astronomia" de Jan Ridpath e “Poeira das Estrelas” de Marcelo Gleiser)

ISAAC NEWTON (1643–1727):

            No ano da morte de Galileu, nasce na Inglaterra o homem que iria criar uma nova ciência, usada para descrever fenômenos que ocorrem à nossa volta, desde o movimento dos carros, o vôo dos pássaros, aviões até as missões à Lua e as órbitas dos planetas e cometas em torno do Sol. Órfão de pai, Isaac Newton teve uma infância difícil. Abandonado pela mãe aos três anos foi criado pela avó. A mãe só voltou a conviver com o filho após o falecimento do segundo marido, que queria distância do enteado. Passou a maior parte da vida, isolado em Cambrige. Jamais se casou ou teve filhos, dizem que morreu virgem. Apenas na velhice, quando sua fama se espalhou por toda a Europa, mudou-se para Londres, onde assumiu cargos políticos.

           

No século XVII a ciência (ou mais precisamente, a filosofia natural) estava em crise. Varias correntes de pensamento, completamente distintas, procuravam oferecer explicações para a física terrestre: a queda dos corpos, as marés, a luz e as cores; e para a física celeste: as órbitas dos planetas e cometas, a composição dos astros celestes, o tamanho do cosmo. O problema começava justamente nessa separação entre as duas físicas. Aristóteles havia suposto uma divisão entre o que ocorre sob a Lua, a física da Terra, composta dos quatro elementos (terra, água, ar e fogo), e a física celeste, da Lua para cima, onde tudo é feito de éter e os movimentos são circulares e perfeitos. Kepler deu o primeiro grande passo em direção a uma física celeste, com suas leis sobre os movimentos planetários e sua conjectura de que as órbitas planetárias são conseqüência de uma força exercida pelo Sol sobre os planetas. Galileu com suas observações astronômicas abalou mais ainda a filosofia natural de Aristóteles. Porém curiosamente adotou uma postura conservadora com relação à causa dos movimentos celestes, que atribuiu a uma espécie de inércia circular, parecida com o movimento natural de Aristóteles. Já os movimentos terrestres, que não interessavam a Kepler, foram muito bem descritos por Galileu em seus experimentos, que provaram que todo objeto em queda livre é acelerado da mesma forma pela Terra, independentemente de sua massa. Para complicar ainda mais, o filósofo francês René Descartes adotava outra posição: todos os fenômenos materiais que ocorriam no cosmo eram produto de uma reação de causa e efeito, de forças que atuavam sobre a matéria. Descartes não acreditava que forças atuassem misteriosamente à distância como o magnetismo atribuído por Kepler. Supôs que o cosmo era pleno, preenchido por uma substância etérea invisível, fluida, cujos movimentos podiam explicar desde a queda dos corpos até as órbitas celestes. Tomando as idéias de Kepler, Galileu e Descartes, Newton e outros filósofos da época depararam com explicações completamente distintas. Além de estudar a filosofia natural, Newton dedicou-se profundamente ao estudo da alquimia e da Bíblia. Para ele, o cosmo foi criado pela mente divina, uma mente infinitamente sábia e poderosa. A razão como a ponte entre o humano e o divino.

            Entre 1665 e 1667, uma série de epidemias de peste bubônica em Cambridge forçou-o a refugiar-se na fazenda da mãe em Woolsthorpe. Munido de livros, durante esses dois anos desenvolveu o cálculo e os fundamentos da mecânica, a física que estuda o movimento. Como se não bastasse, através de uma série de experimentos com prisma, demonstrou que a luz solar é na verdade uma superposição de todas as cores visíveis. E foi além, pensou também na órbita da Lua, em particular em como ela permanecia em órbita, sem cair na Terra. De volta a Cambridge, relatou suas descobertas a Isaac Barrow, seu mestre. Ainda em 1667, tornou-se membro do Trinity College. Em 1669, foi nomeado professor lucasiano de matemática, sucedendo seu mestre.

Quase todas as suas descobertas sobre a mecânica e a gravidade  permaneceram desconhecidas por duas décadas. Em 1684 Edmond Halley foi a Cambridge visitar o gênio recluso (Halley, Hooke e Christopher Wren, arquiteto da famosa Catedral de São Paulo, em Londres, estavam estudando as órbitas planetárias). Halley perguntou para Newton qual seria o formato das órbitas se a força exercida pelo Sol diminuísse com o quadrado da distância, e Newton confirmou que seriam elípticas como descreveu Kepler. Passando um mês Newton enviou para Halley um manuscrito de nove páginas, nas quais descrevia matematicamente as órbitas planetárias como resultado da força atrativa entre o Sol e os planetas. Halley retornou a Cambridge insistindo que Newton publicasse um livro, e quando ele alegou não poder arcar com as despesas da publicação, prontificou-se a pagar tudo. O resultado é um dos livros mais importantes da história.

Em 1687, Newton publicou Princípios Matemáticos da Filosofia Natural onde desenvolve a teoria de como os corpos se movem no espaço e no tempo, e fornece a complexa matemática para analisar tais movimentos. Newton elaborou a lei da gravitação universal: cada corpo do universo é atraído por todo e qualquer outro corpo. Segundo ele, a atração gravitacional que um objeto exerce sobre outro depende de sua massa, e a força da atração diminui com o quadrado da distância entre eles.

Curiosidade: Usando a teoria da gravidade de Newton, Halley afirmou que os cometas vistos em 1531, 1607 e 1682 eram um só. Halley previu que o astro retornaria por volta de 1758 (Quando isso aconteceu, 16 anos apos sua morte, o cometa foi batizado com seu nome)

O modelo de Copérnico se libertou das esferas celestes de Ptolomeu, considerando a idéia de infinito. Uma vez que as estrelas parecem mudar suas posições, é natural supor que sejam corpos semelhantes ao Sol, só que muito mais distantes. Newton se deu conta que de acordo com a teoria da gravidade, as estrelas deveriam atrair umas às outras, e não permaneceriam essencialmente fixas. Elas não cairiam juntas em algum ponto? Numa carta de 1691 a Richard Bentley, Newton argumentava que isto aconteceria caso houvesse um número finito de estrelas. Mas ele raciocinava que se, por outro lado, houvesse um número infinito de estrelas, distribuídas mais ou menos uniformemente sobre um espaço infinito isto não aconteceria, porque não existiria um único ponto central. No universo infinito, qualquer ponto pode ser considerado o centro, porque todos eles têm um número infinito de estrelas à sua volta. Esse argumento é uma armadilha, hoje sabemos que é impossível ter um modelo estático infinito do universo, no qual a gravidade seja sempre atrativa. Vários contemporâneos de Newton apontaram o problema. Na tentativa de solucioná-lo alguns modificaram a teoria da gravidade considerando a força gravitacional repulsiva em grandes distâncias, para garantir o equilíbrio estável das estrelas e a teoria do universo estático infinito. A infinita distribuição garantiria o equilíbrio – com as forças atrativas entre as estrelas próximas contrabalançadas pelas forças repulsivas daquelas que estavam distante. A repulsão não solucionava o problema: se as estrelas de uma região só permanecessem ligeiramente próximas umas das outras, as forças atrativas entre elas se tornariam mais fortes e dominariam as forças repulsivas, de tal forma que as estrelas cairiam umas sobre as outras.

NEWTON NÃO ERA UM HOMEM AGRADÁVEL

Era notório seu difícil relacionamento com outros acadêmicos, com a maior parte de sua vida permeada por disputas violentas. Depois da publicação de Princípios Matemáticos - seguramente o livro mais influente escrito na física -, Newton projetou-se publicamente em ritmo acelerado. Foi indicado para a presidência da Royal Society, sendo o primeiro cientista agraciado com o título de cavaleiro.
            Rapidamente Newton entrou em conflito com o astrônomo real, John Flamsteed, que anteriormente o abastecera com dados necessários ao Princípios, mas que agora lhe recusava informações. Newton não aceitava negativas; indicou-se para o corpo governamental do Observatório Real e depois tentou forçar a imediata publicação dos dados. Chegou mesmo a conseguir que o trabalho de Flamsteed fosse confiscado e preparado para publicação por seu mortal inimigo, Edmond Halley. Mas Flamsteed levou o caso à corte e, no momento oportuno, ganhou a questão através da proibição judicial de distribuição do trabalho roubado. Newton enfureceu-se e perpetrou sua revanche retirando sistematicamente quaisquer referências a Flamsteed nas edições posteriores do Princípios.
            Uma disputa ainda mais séria aconteceu com o filósofo alemão Gottfried Leinbniz. Ambos, Leinbniz e Newton, tinham, independentemente, desenvolvido um ramo da matemática chamado cálculo, que embasa grande parte da física moderna. Embora se saiba, atualmente, que Newton descobriu o cálculo alguns anos antes de Leinbniz, publicou seu trabalho muito depois. Em conseqüência instalou-se uma grande discussão acerca da originalidade, com cientistas defendendo arduamente um e outro como pioneiro. É notável, entretanto, que a maioria dos artigos que apareceram em defesa de Newton fossem originalmente de sua própria autoria, apenas publicados sob o nome de amigos. À medida que a contenda se acirrava, Leinbniz cometeu o erro de apelar para a Royal Society para solucionar a disputa. Newton, como presidente, indicou um "isento" comitê de investigação, coincidentemente composto em sua totalidade por seus amigos. Mas isto não é tudo: o próprio Newton redigiu o parecer do comitê e publicou pela Royal Society, oficialmente, acusando Leinbniz de plágio. Não satisfeito ainda, publicou então uma análise anônima sobre o parecer, no periódico da entidade. Depois da morte de Leinbniz, conta-se que Newton teria declarado ter sentido muita satisfação por "partir o coração de Leinbniz".
            Durante o período destas duas disputas Newton já abandonara Cambridge e a vida acadêmica. Tinha sido um ativista das políticas anticatólicas em Cambridge, e mais tarde no Parlamento, e ainda foi agraciado com o lucrativo cargo de diretor da Casa da Moeda Real. Lá ele direcionou seus talentos para a trapaça de uma forma mais aceita socialmente, conduzindo com sucesso uma grande campanha conta a falsificação, tendo mesmo decretado o enforcamento de muitos homens.  

IDADE DA RAZÃO

            Uma das conseqüências imediatas do sucesso da obra de Newton foi criar uma visão de mundo na qual todos os fenômenos da natureza são descritos quantitativamente por leis matemáticas passíveis de confirmação experimental. Nasce a Idade da Razão, o Iluminismo do século XVIII. Se tudo na natureza é produto da ação de forças sobre partículas de matéria, se soubéssemos a posição de todas essas partículas e as forças que agem sobre elas em um determinado momento, em princípio seria possível calcular a posição futura dessas partículas. Com isso, os cientistas poderiam prever desde a posição de planetas e cometas até o comportamento de animais e pessoas. Nesse cosmo-relógio, não haveria livre-arbítrio, as pessoas não poderiam escolher seu destino. Do movimento da Lua às sinfonias de Mozart, tudo seria conseqüência das partículas e de suas interações. O papel de Deus fica cada vez menor, relegado à criação do cosmo e de suas leis, como um relojoeiro que constrói relógios segundo certas regras e deixa-os marcar as horas sem qualquer interferência posterior. A credibilidade da filosofia mecânica toma conta da Europa no século XVIII. Como comentou o matemático francês marquês de Laplace a Napoleão no início do século XIX, Deus era uma hipótese desnecessária para explicar o mundo.

            Da mesma forma que Galileu, munido de seu modesto telescópio, revelou as imperfeições da Lua e novos mundos girando em torno de Júpiter, com o passar dos anos, novos telescópios foram construídos, cada uma mais potente que o anterior. Com eles, a humanidade adquiriu novos olhos para admirar a incrível beleza e variedade das criações cósmicas. O avanço da ciência dependia cada vez mais dos avanços paralelos da tecnologia. Laboratórios e observatórios espalhavam-se rapidamente por toda Europa.

            Em 1781, o astrônomo William Herschell, usando um telescópio de 6 polegadas, descobriu o sétimo planeta do sistema solar, Urano. Na época, vários astrônomos organizavam catálogos de objetos celestes, na maioria cometas e nebulosas, que apareciam como nuvens difusas nos telescópios. Entusiasmados, astrônomos mapearam em detalhes a órbita do novo planeta. Para sua surpresa, notaram uma discrepância entre sua posição e aquela prevista pela teoria de Newton. A conclusão era surpreendente: algum outro corpo celeste deveria estar atraindo Urano gravitacionalmente e, portanto, produzindo um desvio na sua trajetória em torno do Sol. Em 1845 e 1846, dois matemáticos, John Adams, da Inglaterra, e Urbain Leverrier, da França, calcularam a massa e a órbita de um novo planeta, supostamente responsável pela perturbação. Em setembro de 1846, o astrônomo alemão Johann Galle descobriu Netuno onde os matemáticos diziam que o encontraria. O calculo foi um triunfo duplo: das leis de Newton aplicadas à mecânica celeste e da nova astronomia, munida de telescópios cada vez mais poderosos.

            A partir da metade do século XIX, ficou claro que as lei da física e os elementos químicos dos céus e da Terra eram praticamente os mesmos. O cosmo tornou-se mais próximo, mais familiar e acessível. O grande passo seguinte foi dado no século XX, quando telescópios gigantescos e novas teorias provocaram uma profunda revolução na nossa concepção do universo.

EINSTEIN E A RELATIVIDADE:

Tanto Aristóteles quanto Newton acreditavam no tempo absoluto. Isto é, acreditavam que se pode medir o intervalo de tempo entre dois eventos, e que o resultado será o mesmo em qualquer mensuração, desde que se use um relógio preciso. O tempo seria independente e completamente separado do espaço.

O astrônomo dinamarquês Ole Christensen Roemer provou em 1676 (11 anos antes da publicação do “Princípios Matemáticos” de Newton), que a luz se desloca em velocidade finita.

Em 1823 o filósofo alemão Heinrich Olbers apontou novas objeções ao universo estático e infinito, onde poderia se esperar que o céu inteiro fosse tão brilhante como o Sol. O argumento de Olbers era de que a luminosidade das estrelas distantes seria regulada pela absorção da matéria interveniente. Entretanto, se isso acontecesse, a matéria interveniente eventualmente se aqueceria até incandescer tão brilhante quanto as estrelas. O único jeito de evitar a conclusão de que a tonalidade do céu noturno poderia ser tão brilhante quanto a superfície do Sol seria assumir que as estrelas não teriam estado sempre brilhando, mas que tivessem se iluminado em algum tempo finito do passado. Nesse caso a luz das estrelas distantes não chegariam a nos atingir. O que provoca o surgimento de uma estrela?

Não apareceu teoria adequada da propagação da luz antes de 1865, quando o físico inglês James Clerk Maxwell conseguiu unificar as teorias parciais, que até então tinham sido utilizadas para descrever as forças da eletricidade e magnetismo. Ele próprio extraiu a primeira grande conclusão dessas equações: que ondas eletromagnéticas de todas as freqüências deslocam-se no espaço com a mesma velocidade fixa – a velocidade da luz. As equações de   Maxwell previam que poderiam ocorrer perturbações ondulatórias no campo combinado eletromagnético, e que estas forças se deslocariam como ondulações na superfície da água.

No século XIX, os cientistas acreditavam estar próximos de uma descrição completa do universo. Imaginavam que o espaço fosse preenchido por um meio contínuo denominado "éter". Raios luminosos e sinais de rádio eram ondas nesse éter, assim como o som são ondas de pressão no ar. Tudo o que precisava para uma teoria completa era medir cuidadosamente as propriedades elásticas do éter. Por isso, antevendo tais mediações, o laboratório Jefferson, da Universidade de Harvard, foi construído totalmente sem pregos de ferro, de modo a não interferir nas sensíveis mediações magnéticas. No entanto, os projetistas esqueceram-se de que os tijolos marrom-avermelhados têm grandes quantidades de ferro. Hoje o prédio continua sendo usado, embora Harvard não saiba, ao certo, quanto peso um piso de biblioteca sem prego de ferros aguentará.

No final do século, discrepâncias na ideia do éter começaram a surgir. Esperava-se que a luz se movesse com uma velocidade fixa através do éter, mas, se você se movesse através do éter na mesma direção da luz, ela pareceria mais lenta, e, se você se movesse na direção oposta à da luz, ela pareceria mais rápida. Contudo uma série de experimentou falhou ao tentar sustentar essa ideia. O mais cuidadoso e preciso deles foi realizado por Albert Michelson e Edward Morley, na Case School of Applied Science, em Cleveland, Ohio, em 1887. Eles compararam a velocidade da luz em dois feixes formando um ângulo reto. À medida que a Terra gira em torno do seu eixo e orbita o sol, o aparato se move através do éter com velocidade e direção variáveis. Mas Michelson e Morley não encontraram diferenças diárias ou anuais entre os dois feixes de luz. Era como se a luz sempre se deslocasse na mesma velocidade em relação a um observador, não importando em que velocidade ou direção ela estivesse se movendo.

Baseado no experimento de Michelson-Morley, o físico irlandês, George FitzGerald e o físico holandês Hendrik Lorentz, sugeriram que corpos em movimento através do éter se contrairiam, e que relógios se retardariam. Essa contração e retardamento dos relógios seriam tais que as pessoas mediriam a mesma velocidade da luz, independente de como estivessem se movendo através do éter.

Num famoso artigo de Junho de 1905 (de um até então desconhecido funcionário público suíço) Albert Einstein parte do postulado de que as leis da ciência deveriam parecer as mesmas para todos os observadores em movimento livre. Em particular, todos eles deveriam medir a mesma velocidade da luz, sem importar o quão rápido estivessem se movendo. A velocidade da luz é independente do movimento deles, sendo a mesma em todas as direções. Isso exigiria o abandono da ideia de que existe uma quantidade universal chamada tempo que todos os relógios mediriam. Ao contrário, cada um teria seu tempo pessoal. Os tempos de duas pessoas coincidiriam se elas estivessem em repouso uma em relação à outra, mas não se estivessem em movimento. Isso foi confirmado em vários experimentos, incluindo um no qual dois relógios de alta precisão viajaram de avião em direções opostas ao redor do mundo e retornaram mostrando horas ligeiramente diferentes. Isso poderia levar a crer que, se alguém quisesse viver mais tempo, deveria ficar voando para o leste, para que a velocidade do avião se somasse a rotação da Terra. Porém, a minúscula fração de segundo ganha seria cancelada pelo efeito das refeições a bordo. 

As leis do movimento de Newton deram fim à idéia de posição absoluta do espaço. Einstein derrubou dois dos absolutos da ciência do século XIX: o repouso absoluto, representado pelo éter, e o tempo absoluto ou universal que todos os relógios mediriam. Devemos aceitar que o tempo não é completamente isolado e independente do espaço, mas que eles se combinam para formar um elemento chamado espaço-tempo.

Uma importante conseqüência da relatividade é a relação entre massa e energia. O postulado de que a velocidade da luz deveria parecer a mesma para todos implicava que nada poderia mover-se mais rápido que a luz. À medida que o deslocamento de um objeto se aproxima da velocidade da luz, sua massa aumenta sempre mais rapidamente, de forma que ele gasta cada vez mais energia. Acelerar, uma partícula ou uma espaçonave, na velocidade da luz, consumiria uma quantidade infinita de energia e sua massa atingiria o infinito. Massa e energia são equivalentes, conforme sintetizado na famosa equação de Einstein: E=mc² (E=energia/ m=massa/ c=velocidade da luz). Por essa razão, qualquer objeto está para sempre confinado, pela relatividade, na realidade determinada pela velocidade da luz. Apenas outras ondas que não tenham massa intrínseca, podem se mover na velocidade própria da luz.

Outra previsão da teoria da relatividade é que o tempo deve parecer correr mais lentamente perto de um corpo volumoso como a Terra. Isto é devido à relação entre a energia da luz e sua freqüência (ou seja, o número de ondas de luz por segundo): quanto maior a energia, mais alta a freqüência. À medida que a luz percorre verticalmente o campo gravitacional da Terra, ela perde energia e, assim, sua freqüência diminui. O que significa que a extensão de tempo a crista de uma onda e da onda seguinte aumenta. Para alguém colocado num nível superior pode parecer que tudo abaixo está demorando mais para acontecer. Esta previsão foi testada em 1962, através do uso de um par de relógios de alta precisão. Verificou-se que o relógio da base, mais próximo da Terra, funcionava mais devagar.

O Paradoxo dos gêmeos: Consideremos um par de gêmeos. Suponhamos que um deles vá viver no topo de uma montanha e o outro permaneça no nível do mar. O primeiro gêmeo envelhecerá mais rápido que o segundo. Assim ao se encontrarem novamente, um será mais velho do que o outro. Neste caso, a diferença das idades seria muito pequena, mas se tornaria muito maior se um dos gêmeos embarcasse, para uma longa viagem numa nave espacial que se deslocasse numa velocidade aproximada à da luz. Ao voltar, ele estaria muito mais jovem do que o irmão que ficou na Terra. Isto é conhecido como o paradoxo dos gêmeos, mas só é um paradoxo se acreditarmos na idéia do tempo absoluto. Na teoria da relatividade não há qualquer tempo absoluto; em vez disso, cada indivíduo tem sua própria medida pessoal de tempo, que depende de onde se está e como se desloca.

Se o Sol se apagasse, só tomaríamos conhecimento 8 minutos depois, que é o tempo que a luz do Sol gasta para nos atingir. Da mesma maneira, não sabemos o que está acontecendo num tempo distante do universo: a luz que vemos de galáxias distantes são de bilhões de anos, e no caso do objeto mais distante que já vimos, a luz foi emitida há alguns oito bilhões de anos. Então, quando olhamos o universo, nós estamos vendo como ele era no passado.

Embora a teoria da relatividade se ajustasse bem às leis que governavam a eletricidade e o magnetismo, não era compatível com a lei da gravidade de Newton. Segundo essa lei, mudando-se a distribuição de matéria em uma região do espaço, a mudança no campo gravitacional seria sentida instantaneamente em todas as outras partes do universo. Isso não apenas implicaria que se poderiam enviar sinais mais rápidos que a luz (algo proibido pela relatividade), como, para saber o que significava instantâneo, também exigia a existência do tempo absoluto ou universal.

Einstein estava ciente dessa dificuldade e desde 1907 realizou inúmeras pesquisas sobre a relação estreita entre aceleração e gravidade. Em 1912 teve o estalo de perceber que a geometria do espaço-tempo poderia ser curva e não plana. Sua idéia era que massa e energia deformariam o espaço-tempo de alguma maneira ainda a ser determinada. Com a ajuda do amigo Marcel Grossmann, Einstein estudou a teoria dos espaços e superfícies curvos desenvolvida anteriormente por Georg Friedrich Riemann como um trabalho de matemática abstrata, Riemann não imaginava que sua teoria pudesse ser aplicada no mundo real.

Em 1915, Einstein elaborou e publicou a teoria da relatividade geral (para distinguir-se da teoria original que não falava da gravidade, conhecida agora como relatividade restrita), propondo uma sugestão revolucionária de que a gravidade não é uma força como as outras, mas sim uma conseqüência do fato de que o espaço-tempo não é plano, como anteriormente considerado: é curvo ou “arqueado” pela distribuição de massa e energia. Corpos como a Terra não se movimentam em curva devido a uma força chamada gravidade; em vez disso, eles seguem a coisa mais parecida com uma trajetória reta dentro do espaço curvo, o que é chamado de geodésica. Uma geodésica é a menor (ou maior) trajetória entre dois pontos próximos. Por exemplo, a superfície da Terra é um espaço bidimensional curvo. A geodésica da Terra é chamada de grande circulo e é a menor trajetória entre dois pontos. A geodésica é o menor percurso entre dois quaisquer aeroportos. Raios de luz também seguem geodésicas no espaço-tempo. Assim a relatividade geral diz que a luz é arqueada pelos campos gravitacionais.

No modelo de Newton, tempo e espaço constituíam um pano de fundo em que os eventos ocorriam, mas não eram afetados por eles. O tempo era distinto do espaço e considerado uma linha única, infinita em ambas as direções. O próprio tempo era considerado eterno, no sentido de que sempre tinha existido e de que existiria para sempre. Porém na teoria da relatividade geral, tempo e espaço estão intrinsecamente entrelaçados. Não se pode curvar o espaço sem envolver também o tempo. Assim, o tempo possui uma forma. Ao curvar espaço e tempo, a relatividade geral transforma-os de pano de fundo passivo contra o qual ocorrem os eventos, em participantes dinâmicos e ativos dos acontecimentos.

A teoria ofereceu um grande problema que permanece e primeiro plano da física do século XXI: o universo está repleto de matéria, e a matéria deforma o espaço-tempo de tal maneira que os corpos são atraídos uns em direção aos outros. Einstein não encontrava uma solução para um universo estático em suas equações. Einstein acrescentou em suas equações, um termo chamado constante cosmológica, que deformava o espaço-tempo no sentido oposto, de modo que os corpos se afastassem uns dos outros. O efeito repulsivo da constante cosmológica poderia contrabalançar o efeito atrativo da matéria, permitindo assim uma solução estática para o universo.

Em 1922 o russo Aleksandr Friedmann mostrou que a suposição de Einstein era forte demais. O cormo podia mudar no tempo, até mesmo sem a constante cosmológica. Friedmann descreveu dois tipo de universo: ou o cosmo continuaria a se expandir para sempre, ou cresceria até um valor máximo e começaria a encolher. Em seus cálculos o tipo de universo era determinado pela quantidade total de matéria. Se ela existisse acima de um valor crítico, sua própria gravidade causaria a implosão cósmica. Caso contrário, a expansão prosseguiria para sempre, com a força da explosão sobrepondo à gravidade. Os modelos matemáticos de Friedmann mudaram  o curso da cosmologia. Pela primeira vez na história da humanidade o universo podia variar no tempo, crescer, encolher e até mesmo oscilar entre crescimento e encolhimento.

Observações realizadas na década de 20 pelo telescópio de 2,5 metros do monte Wilson, ao leste de Los Angeles, por Edwin Hubble, resolveram uma polêmica que se estendia há décadas: até então não se sabia se as nebulosas avistadas com telescópios faziam  parte da Via Láctea ou eram, na verdade, outras galáxias. Hubble mostrou que as nebulosas eram, na maioria, outras galáxias, repletas de estrelas, a distâncias de milhões de anos-luz do Sol. Para descrever distâncias astronômicas é mais conveniente usar o ano-luz, a distância que a luz percorre em um ano, viajando na velocidade de 300 mil quilômetros por segundo.

- do Sol à Terra: 8 minutos-luz

- do Sol a Plutão: 5h20 minutos-luz

- do Sol ao centro da Via Láctea: 26 mil anos-luz

- diâmetro da Via Láctea: 100 mil anos-luz

- distância entre a Via Láctea e Andrômeda: 2,5 milhões de anos-luz

Quando dizemos que a distância entre a nossa galáxia e a galáxia mais próxima, Andrômeda, é de 2,5 milhões de anos-luz, isso significa que a Andrômeda que vemos pelo telescópio hoje, é a Andrômeda de 2,5 milhões de anos atrás, quando os primeiros hominídeos caminhavam sobre a Terra. Uma conseqüência disso é que não podemos afirmar com certeza que Andrômeda ainda exista. A  verdade é que, quando se trata de distâncias cósmicas, nem mesmo a luz é rápida o suficiente. Estudar o universo é viajar no tempo. Hoje, os astrônomos estudam objetos que estão a 13 bilhões de anos-luz daqui, cuja luz os deixou muito antes da Terra existir.

As observações de Hubble revelaram ainda que, quanto mais longe outras galáxias estão de nós, mais rapidamente estão se afastando. O universo está se expandindo. Essa descoberta eliminou a necessidade de uma constante cosmológica. Mais tarde Einstein considerou sua constante cosmológica o maior erro de sua vida. Se as galáxias estão se afastando agora, significa que dever ter estado mais próximas umas das outras no passado. Há cerca de 15 bilhões de anos, todas teriam estado umas sobre as outras, e a densidade teria ido enorme. Esse estado foi denominado átomo primordial pelo sacerdote católico Georges Lemaitre, o primeiro a investigar a origem do universo que agora chammos de Big Bang. Einstein parece nunca ter levado a serio o Bing Bang. Sua teoria implica que o tempo tenha um começo, embora a idéia nunca lhe tivesse agradado. Einstein relutou ainda mais em admitir que a relatividade geral previa que o tempo chegaria ao fim para estrelas de grande massa quando elas atingissem o fim de suas vidas e não gerassem mais calor suficiente para contrabalançar a força atrativa da sua própria gravidade que tentava comprimi-las. Einstein achou que tais estrelas se estabilizariam em um estado final, agora sabemos que não há estado final para estrelas com mas de duas vezes a massa do Sol. Tais estrelas continuarão se encolhendo até se tornarem buracos negros, regiões do espaço-tempo tão distorcidas que a luza não consegue escapar delas.

            A razão por que a relatividade geral perde validade no big bang é sua incompatibilidade com a teoria quântica, outra grande revolução do século XX. O primeiro passo rumo à teoria quântica foi dado em 1900, quando Max Planck, em Berlim, descobriu que a radiação de um corpo incandescente poderia ser explicada se a luz só pudesse ser emitida ou absorvida em pacotes separados, denominados quanta. Em um de seus artigos pioneiros, escrito em 1905, Einstein mostrou que a hipótese quântica de Planck podia explicar o denominado efeito fotoelétrico, o modo como certos metais emitem elétrons quando atingidos por luz. Essa é a base dos modernos detectores de luz e câmeras de TV, trabalho de Einstein, que recebeu o Prêmio Nobel de Física.

Einstein continuou trabalhando na idéia quântica durante os anos 20, mas ficou profundamente perturbado com o trabalho de Werner Heisenberg em Copenhague, de Paul Dirac, em Cambridge, e de Erwin Schrödinger, em Zurique, que desenvolveram um novo quadro de realidade denominado mecânica quântica. Partículas minúsculas não possuíam mais posição e velocidade definidas. Ao contrário, quanto mais exatamente for determinada a posição de uma partícula, menos exatamente será determinada sua velocidade e vice-versa. Einstein ficou horrorizado com esse elemento aleatório, imprevisível nas leis básicas e nunca aceitou plenamente a mecânica quântica. Seus sentimentos foram expressos no famoso dito: “Deus não joga dados”.