Karl era o mais velho de 6 irmãos, Alfred Schwarzschild foi um artista, Hermann Schwarzschild foi agricultor, Otto Schwarzschild foi consultor financeiro, Robert Schwarzschild foi um industrial e Klara Schwarzschild casou-se com o astrofísico e meteorologista suíço Robert Emden. O seu pai, Moisés Martin Schwarzschild de quem teria herdado a capacidade de sustentação do trabalho duro, foi ativo na comunidade de negócios da cidade e sua mãe Henrietta Francisca Sabel,
uma pessoa vivaz e calorosa de quem teria herdado os traços que
formariam sua personalidade. A sua grande família era conhecida por
cultivar profundo interesse em arte e cultura. No entanto, Karl
tornou-se o primeiro da família a seguir uma carreira na ciência.
Começo
Karl frequentou uma escola judaica até os 11 anos de idade, era uma espécie de criança prodígio, pois o seu talento manifestou-se muito cedo, ao se interessar por astronomia enquanto ainda estudava no Ginásio de Frankfurt, nesta época, economizou todo o dinheiro que podia para comprar os materiais necessários para construir o seu próprio telescópio para estudar os céus. O pai de Karl conheceu, através do interesse em música, o professor J. Epstein que lecionava na Philanthropin Academy e tinha um observatório privado. A partir desta proximidade Karl fez amizade com o seu filho Paul Epstein que era 2 anos mais velho que ele e partilhava dos mesmos interesses astronómicos, Karl aprendeu com ele a usar um telescópio, bem como princípios de matemática avançada.
Aos 16 anos Karl escreveu 2 artigos de sua compreensão e domínio da mecânica celeste com foco nas órbitas de estrelas binárias e teve os seus trabalhos publicados na Sociedade Astronómica em 1890. De 1891 a 1893 Karl estudou na Universidade de Estrasburgo onde se concentrou em astronomia prática e recebeu seu doutoramento na Universidade de Munique em 1896, com uma dissertação sobre a aplicação da teoria de Jules Henri Poincaré da rotação de corpos estelares (estabilidade do sistema solar). O seu orientador foi Hugo Von Seeliger, a quem mencionou diversas vezes ao longo de sua vida.
Início de carreira
Entre 1897 e 1899, Karl foi assistente no Observatório Von Kuffner, no distrito de Ottakring
em Viena, na Áustria. Foi contratado para a investigação e medição da
magnitude aparente (brilho observado) de estrelas, usando placas fotográficas, realizando um trabalho de investigação em desvios geométricos do sistema óptico a partir do qual produziu uma fórmula para calcular a densidade óptica do material fotográfico. Esta fórmula foi especialmente importante para trabalhar com as medições fotográficas de intensidades fracas distantes (objetos astronómicos). O expoente desta fórmula é conhecido hoje como o Expoente de Schwarzschild.
No verão de 1899, tornou-se professor na Munich University depois de apresentar a sua tese intitulada “Contribuições para o tratado da fotometria de estrelas”, que construiu a partir do trabalho astronómico realizado no Observatório Von Kuffner. Escolhendo 367 estrelas para fazer suas medições, incluindo duas estrelas variáveis,
verificou que a gama de variação das magnitudes medida pelos seus
métodos fotográficos foi muito maior do que o intervalo de variação de
magnitude visual. Percebendo assim, corretamente, que isso se devia às
mudanças na temperatura da superfície da estrela variável por meio de
seu ciclo.
É interessante notar que em 1900, Karl já havia ponderado sobre a estrutura não-euclideana da geometria espacial e suas ideias foram expostas na reunião da Germany Astronomy Society em Heidelberg. Neste mesmo ano, publicou um artigo em que deu um limite inferior para o raio (mensurável) da curvatura do espaço como 64 anos-luz (supondo um espaço hiperbólico) ou 1600 anos-luz (um espaço elíptico). Ao lidar com a pressão da radiação solar, assumiu que as caudas de cometas consistiam de partículas
esféricas que atuam como refletores de luz. Assim, foi capaz de
calcular o tamanho destas partículas. Ele soube instintivamente que a
pressão da radiação solar tendia de alguma forma a superar a gravidade
o que fazia as partículas não dispersarem a luz. Desta forma,
permitiu-se deduzir que os diâmetros exatos das partículas variavam
entre 0,07 à 1,5 mícrons.
Em 1902, foi nomeado professor na Göttinghen University
e também diretor do seu Observatório. Em Göttinghen teve a
oportunidade de trabalhar com algumas figuras significativas que
habitavam a Universidade, como os matemáticos David Hilbert, Felix Klein e Hermann Minkowski.
Karl estudou os fenómenos astrofísicos associados ao mecanismo de transporte de energias
em uma estrela por meio de radiação e produziu um importante papel no
equilíbrio radioativo dentro da atmosfera do sol. Inventou um interferómetro com múltiplas fendas e usou-o para medir a separação de sistemas duplos próximos. Durante um eclipse total do sol, em 1905, obteve espectrogramas
que lhe forneceram informações sobre a composição química de várias
regiões a diferentes altitudes na atmosfera solar. Mais tarde desenhou
um espectrógrafo com o objetivo de determinar de uma forma mais rápida e confiável a velocidade radial das estrelas, bem como o seu tipo espectral, temperatura e cor.
Karl introduziu o conceito de equilíbrio radioativo em astrofísica e foi provavelmente o primeiro a compreender como tal processo era importante na transferência de energia
em atmosferas estelares. Em 1906, Karl publicou um artigo que mostrava
que estrelas já não podiam ser consideradas como um gás mantido por
sua própria gravidade, mas que as questões da termodinâmica sobre a transferência de calor devido à radiação e convecção
precisava ser tratada com todo o empreendimento matemático. No mesmo
ano, publicou o seu trabalho sobre transferência de energia na
superfície do sol.
Família
Em 22 de outubro de 1909, casou-se com Else Posenbach, filha de um professor de cirurgia na Göttinghen University. Juntos, tiveram 3 filhos: Agathe Schwarzschild, que se tornaria professora de Literatura, Martin Schwarzschild que seguiria os seus passos se tornando professor de Astrofísica em Princeton e Alfred Schwarzschild.
Trabalho no Observatório de Potsdam
Logo após o seu casamento, no final de 1909, Karl deixou Göttinghen para assumir o cargo de diretor do Observatório de Astrofísica de Potsdam. Este foi o posto mais prestigioso disponível para um astrónomo na Alemanha e ocupou a posição com grande sucesso sendo mencionado por Arthur Eddington: “...Para
um homem de seus amplos interesses em todos os ramos da matemática e
da física estar nestas imediações deve ter sido muito agradável...”.
Em 1910 teve a oportunidade de estudar fotografias do retorno do cometa Halley, levado por uma expedição de Potsdam para Tenerife.
Em 1913, Karl foi eleito membro da Prussian Academy of Science de Berlim. Durante a sua eleição, ele produziu um memorável discurso que delineou a essência de sua atitude em relação à ciência.
"Matemática, física, química, astronomia, uma marcha em frente.
Qualquer que seja a que fique atrás é desenhada depois. Qualquer que
seja a que se apressa em frente ajuda as outras. O mais próximo de
solidariedade entre astronomia e todo o círculo da ciência exata... a partir deste aspecto que pode contar bem que o meu interesse nunca foi limitado às coisas que estão além da Lua, mas seguiu os tópicos que giram de lá para o nosso conhecimento sublunar; muitas vezes tenho sido infiel para com os céus. Isso é um impulso para o universal, que foi fortalecido involuntariamente pelo meu professor Seeliger, e depois foi ainda mais alimentado por Felix Klein e todo o círculo científico em Göttingen. Lá o lema é que a matemática, a física e a astronomia constituem um conhecimento, que, como a cultura grega, só é compreendida como um todo perfeito".
I Guerra Mundial
Logo, em 1914, a Europa foi assolada com a eclosão da I Guerra Mundial. Karl ingressou no exército alemão como voluntário, apesar de estar acima dos 40 anos de idade. Atuou em ambas as frentes, oriental e ocidental, chegando à patente de tenente da divisão de artilharia. Serviu na Bélgica notavelmente, onde foi encarregado de uma estação meteorológica local, e na França, onde produziu cálculos da trajetória de mísseis.
Enquanto servia na Rússia, apesar de sofrer de uma doença de pele rara e dolorosa chamado pênfigo, ele conseguiu escrever três trabalhos fundamentais: dois contendo as soluções exatas para as equações de campo de Einstein da Teoria Geral da Relatividade, a nova teoria do espaço-tempo e gravitação, e um sobre a teoria quântica de Planck. Como são bem conhecidos, seus trabalhos sobre a Teoria Geral da Relatividade deram a primeira solução exata para as equações de campo de gravitação no espaço vazio em torno de massas esféricas de Einstein, solução que leva o seu nome, a Métrica de Schwarzschild, que na verdade, envolve uma ligeira modificação da solução original de Einstein. Além disso, Karl foi o primeiro cientista a introduzir o formalismo lagrangiano (Joseph Louis Lagrange, matemático italo-francês) correto do campo eletromagnético. Foi pioneiro no desenvolvimento da teoria de espectros atómicos proposto por Niels-Bohr. Independente de Arnold Sommerfeld (físico alemão que introduziu a constante da estrutura fina), Karl desenvolveu as regras gerais de quantização, definiu a teoria completa do efeito Stark (efeito de um campo elétrico da luz) e iniciou a teoria quântica de espectros moleculares.
Einstein vs. Schwarzschild
Ao receber manuscritos de Karl de 22 de dezembro de 1915, Einstein ficou agradavelmente surpreso ao saber que suas equações de campo de gravitação chegaram a admitir soluções exatas, que apesar de sua complexidade, segundo ele, foram elegantemente demonstradas por Karl em ...”uma forma tão simples...”.
Antes disso, o próprio Einstein era capaz apenas de produzir uma
solução aproximada, dado o seu famoso trabalho em 1915 sobre o avanço do
periélio do Mercúrio. Nesse artigo, Einstein utilizando um sistema de coordenadas retilíneas, afim de aproximar o campo gravitacional
em torno de uma massa esfericamente simétrica, estática, não-rotativa e
não-carregada (a solução para um objeto de simetria esférica rotativa
foi encontrado em 1963 por Roy Patrick Kerr, matemático neozelandês). Karl, em contraste com a abordagem inicial de Einstein, escolheu uma generalização do sistema de coordenadas polares (hoje conhecida como coordenadas de Schwarzschild)
e foi assim, capaz de produzir uma solução exata de uma forma mais
elegante, de maneira um pouco mais condizente com o esplendor e a
subtileza da total natureza não-euclideana da Teoria Geométrica de Einstein. Karl finalizou a carta dizendo "...como
você vê, a guerra me tratou gentilmente o suficiente, apesar da
artilharia pesada, para permitir-me ficar longe de tudo e aproveitar
esta caminhada na terra de suas ideias...".
Em 1916, Einstein escreveu a famosa e exultante carta a Karl a respeito de seu resultado obtido recentemente:
“Li a sua carta com o máximo interesse. Não esperava que podia-se
formular a solução exata do problema de maneira tão simples. Gostei
muito do seu tratamento matemático sobre o assunto. Na próxima
quinta-feira apresentarei o trabalho à Academia com algumas palavras de
explicação”.
Outras descobertas
Talvez ainda mais conhecido do que o seu trabalho com as soluções para a Teoria Geral da Relatividade, sejam suas contribuições para o aprofundamento da compreensão sobre o fenómeno dos buracos negros. O que agora é referido como o raio de Schwarzschild descreve quando uma estrela entra em colapso gravitacional diminuindo a um determinado tamanho e seu potencial de atração gravitacional se torna infinito onde nem mesmo um objeto que viaja à velocidade da luz consegue escapar da área denominada horizonte de eventos (raio de ação do buraco negro/raio de Schwarzschild). Outra teoria que leva seu nome é a dos buracos de verme de Schwarzschild que, hipoteticamente, trata-se de um “atalho” no espaço-tempo
onde existem duas buracos ligados por um tubo que, se transponível,
poderia levar a matéria a outro lugar do espaço, viajando mais rápido
que a velocidade da luz, caracterizando uma viagem no tempo.
Uma grande perda para a Ciência
Pouco depois, Karl mandou seus dois últimos trabalhos sobre a Teoria Geral da Relatividade de Einstein e veio a sucumbir à doença de pele contraída anteriormente. A doença pênfigo é um tipo raro de erupção cutânea. Ocorrem erros do sistema imunológico
que identificam as células da pele como organismos estranhos e os
ataca, causando bolhas dolorosas. Na época de Karl, não havia tratamento
médico conhecido ou cura para a doença. Foi libertado do seu dever
militar e internado em casa em março de 1916, morreu dois meses depois,
em 11 de maio de 1916, com a idade de 42 anos, sendo sepultado no Stadtfriedhof de Göttingen.
Karl morreu no auge de suas conquistas, certamente foi um homem de
grandes interesses científicos. Depois de sua morte prematura, seu
colega cientista Arthur Stanley Eddington observou, “...a ampla gama de suas contribuições para o conhecimento sugere uma comparação com Poincaré,
mas Karl Schwartzschild era duplamente mais prático, ele encantou
tanto na concepção de métodos instrumentais como nos triunfos da
análise...sua alegria era variar sem restrições sobre os postos do
conhecimento, e como um líder da guerrilha, os seus ataques caíram onde
menos se espera...”. Além do seu trabalho em Astronomia, que incluiu a mecânica celeste, a fotometria estelar observacional, sistemas ópticos, a astronomia observacional e instrumental, estrutura estelar e estatística, cometas e espectroscopia e a sua excelente contribuição na área da Teoria Geral da Relatividade, também trabalhou em eletrodinâmica e óptica geométrica (enquanto trabalhava na Göttinghen University) e manteve profundo interesse na teoria quântica.
Curiosidades
As características de Karl não eram aquelas que são normalmente
associadas aos cientistas de sua nacionalidade. Ele era um alpinista
entusiasmado e tinha realizado algumas das subidas mais complicadas dos Alpes. Ele tinha um espírito de aventura e praticava desportos de inverno na Suíça. Um voo de Zeppelin foi sua última grande aventura.
Como a sua morte muito prematura, as honras foram relativamente poucas
durante sua vida. Recebeu honras póstumas de um observatório, fundado
em 1960, em Tautenburg como Instituto afiliado da Academia Alemã de Ciências. A dedicação descreveu-o como: “...o maior astrónomo alemão dos últimos 100 anos...”. Após a reunificação da Alemanha o Instituto foi refundado em 1992 e renomeado "Observatório Karl Schwarzschild" do estado de Turíngia de Tautenburg, que possui o maior telescópio da Alemanha. A Sociedade Astronómica Alemã estabeleceu um eleitorado especial em sua homenagem em 1959 e uma medalha Karl Schwarzschild de Astronomia. O primeiro destinatário foi seu filho Martin Schwarzschild. O asteroide 837 Schwarzschild, descoberto em 23 de setembro de 1916 pelo astrónomo alemão Max Wolf, foi nomeado em sua homenagem bem como a cratera de Schwarzschild na Lua.
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