Teoria da Relatividade

Albert Einstein

Albert Einstein é considerado um dos maiores cientistas de todos os tempos. Três artigos seus publicados em 1905 foram transcendentais para o desenvolvimento da física e influíram o pensamento ocidental em geral. Os artigos tratavam da natureza da luz, descreviam o movimento molecular e apresentavam a teoria da relatividade restrita. Einstein é famoso por refletir continuamente nas hipóteses científicas tradicionais e tirar conclusões singelas às quais ninguém havia chegado antes. Não se conhece tanto seu compromisso social, embora fosse um ardente pacifista e sionista. Na gravação, Einstein fala de Gandhi e elogia a não violência.

No estudo da Mecânica, a velocidade, por exemplo, é uma grandeza relativa, ou seja, sua medida depende do referencial do qual está sendo medido. Em consequência disso, outras grandezas que dependem da velocidade também são relativas como, por exemplo, a energia cinética e a quantidade de movimento. A energia potencial também é uma grandeza relativa, pois o seu valor (mgh) depende do referencial que se adota para medir a altura. Comprimento, massa e tempo são tidos como grandezas absolutas no estudo da Mecânica, mas também se tratam de grandezas relativas. No entanto, a relatividade dessas grandezas só evidencia-se quando no estudo de situações em que se têm velocidades muito elevadas, ou seja, não desprezíveis se comparadas com a velocidade da luz no vácuo, que é aproximadamente 3,0 x10⁸ m/s.

O Início da Teoria da Relatividade

A teoria da relatividade foi uma revolução para o século XX, pois ela provocou inúmeras transformações em conceitos básicos como também proporcionou que fatos importantes, ainda não explicáveis, pudessem ser explicados. Essa teoria surgiu com o físico alemão Albert Einstein. Nascido em Ulm, Einstein foi físico e pesquisador muito conhecido por ter proposto a teoria da relatividade, mas também foi ele quem explicou corretamente o efeito fotoelétrico, fato esse que possibilitou o desenvolvimento da bomba atômica, mesmo sem ele saber para quais fins se destinava.

A teoria da relatividade é composta de duas outras teorias: Teoria da Relatividade Restrita, que estuda os fenômenos em relação a referenciais inerciais, e a Teoria da Relatividade Geral, que aborda fenômenos do ponto de vista não-inercial. Apesar de formar uma só teoria, elas foram propostas em tempos diferentes, no entanto ambas trouxeram o conhecimento de que os movimentos do Universo não são absolutos, mas sim relativos.

A teoria da relatividade restrita foi construída por Einstein a partir de dois importantes postulados:

1ª – Postulado da Relatividade: as leis da Física são as mesmas em todos os sistemas de referência inercial.

2ª – Postulado da Constância da Velocidade da Luz: a velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor para qualquer referencial inercial, ou seja, c = 300 000 km/s.

A Relatividade no Cotidiano

A relatividade pode não ser um assunto muito comum no dia a dia, mas ela faz parte do nosso cotidiano. Quando aproximamos da velocidade da luz tudo muda, nesse sentido a relatividade é muito importante. Não é possível ver como que isso ocorre utilizando carros e aviões, mas as partículas subatômicas podem se movimentar muito rápido, podendo alcançar velocidades bem próximas à velocidade da luz.

Um instrumento muito comum na atualidade utiliza mecanismos advindos da relatividade para determinar com alta precisão a posição na Terra, esse é o chamado GPS. Encontrado em celulares de última geração, esse instrumento depende de 24 satélites ao redor da Terra para a determinação correta da posição, mas se não fosse a relatividade, todas as medidas estariam erradas. Os cálculos e correções relativísticos são necessários em consequência da velocidade dos satélites, aproximadamente 14 mil km/h. Essa velocidade é realmente pequena se comparada com a velocidade da luz, mas mesmo assim os cálculos são necessários. O aparelho de GPS está cada vez mais presente em nosso cotidiano, seja no avião, nos automóveis, navio, em muitos lugares podemos encontrá-lo. Caso não fossem calculados os efeitos da relatividade, poderiam acontecer grandes desastres.

Teoria Quântica

Teoria quântica, teoria física baseada na utilização do conceito de unidade quântica para descrever as propriedades dinâmicas das partículas subatômicas e as interações entre a matéria e a radiação. As bases da teoria foram assentadas pelo físico alemão Max Planck, o qual, em 1900, postulou que a matéria só pode emitir ou absorver energia em pequenas unidades discretas, chamadas quanta. Outra contribuição fundamental ao desenvolvimento da teoria foi o princípio da incerteza, formulado por Werner Heisenberg em 1927.

Planck desenvolveu o conceito de quantum como resultado dos estudos da radiação do corpo negro (corpo negro refere-se a um corpo ou superfície ideal que absorve toda a energia radiante, sem nenhuma reflexão). Sua hipótese afirmava que a energia só é irradiada em quanta, cuja energia é hu, onde u é a freqüência da radiação e h é o "quanta de ação", fórmula agora conhecida como constante de Planck.

O físico francês Louis Victor de Broglie sugeriu, em 1924, que uma vez que as ondas eletromagnéticas apresentam características corpusculares, as partículas também deveriam ter características ondulatórias. O conceito ondulatório das partículas levou Erwin Schrödinger a desenvolver uma equação de onda para descrever as propriedades ondulatórias de uma partícula e, mais concretamente, o comportamento ondulatório do elétron no átomo de hidrogênio.

Ainda que a mecânica quântica descreva o átomo exclusivamente por meio de interpretações matemáticas dos fenômenos observados, pode-se dizer que o átomo é formado por um núcleo rodeado por uma série de ondas estacionárias; essas ondas têm máximos em pontos determinados e cada onda estacionária representa uma órbita. O quadrado da amplitude da onda em cada ponto, em um momento dado, é uma medida da probabilidade de que um elétron se encontre ali. Já é possível dizer que um elétron é um ponto determinado em um momento dado.

A compreensão das ligações químicas foi radicalmente alterada pela mecânica quântica e passou a basear-se nas equações de onda de Schrödinger. Os novos campos da física — como a física do estado sólido, a física da matéria condensada, a supercondutividade, a física nuclear ou a física das partículas elementares — apoiaram-se firmemente na mecânica quântica. Essa teoria é na base de todas as tentativas atuais de explicar a interação nuclear forte (ver Cromodinâmica quântica) e desenvolver uma teoria do campo unificado. Os físicos teóricos, como o britânico Stephen Hawking, continuam esforçando-se para desenvolver um sistema que englobe tanto a relatividade como a mecânica quântica.

Um Século sem o Éter

Faz cem anos que a existência do éter deixou de ser aceita como um meio elástico através do qual as ondas luminosas se propagavam por milhões de anos luz sem perder ou diluir sua energia inicial.

Depois de vários séculos o éter, conceito que surgiu nos tempos antigos, tomou uma conotação propriamente científica quando o físico e astrônomo holandês Christian Huygens (1629-1695) formulou a teoria ondulatória da luz, na Academia de Ciências de Paris, em 1678. Segundo Huygens, os corpos luminosos produziam ondas que se propagavam até o observador, à semelhanca do que ocorria com uma lâmina metálica cujas vibrações produziam som, assim como uma pedra lançada sobre a superfície da água causava uma onda que se propagava nesta superfície. Ora, os cientistas já haviam constatado que se um sino tocasse no vácuo, a ausência de ar não permitia que se produzisse nenhum som. Como explicar que a luz se propagava no vácuo, sem um meio material capaz de transportar suas ondas, como havia sido proposto por Huygens? Diante deste dilema, Huygens recorreu à velha idéia do éter - meio no qual se propagariam as ondas luminosas.

Tão evidente parecia, no século XVII, a existência do éter, que o próprio Isaac Newton (1642-1727), após estudar os fenômenos óticos, sugeriu, para explicá-los, que a luz fosse constituída de corpúsculos muito pequenos emitidos pela fonte luminosa. Desse modo Newton explicou, no seu tratado Ótica (1704), a propagação retilínea, a reflexão nas superfícies, a refração em superfícies de separação de dois meios de densidades diferentes, a absorção e a pressão. Como a teoria corpuscular era insuficiente para explicar a interferência luminosa Newton aceitou também a existência das ondas etéreas de Huygens.

Assim, durante séculos, negar a existência do éter seria a maior asneira possível. No entanto, em fins do século XIX, o físico norte-americano Albert Abraham Michelson (1852-1931), primeiro prêmio Nobel de seu país, começou a questionar a existência real do éter - este fantasma da física, sem corpo, contorno ou forma.

Em 1881, com o objetivo de demonstrar a realidade do éter, Michelson, na época em Berlim, no laboratório do físico alemão Hermann Helmholtz (1821-1894), inventou um instrumento capaz de medir a velocidade da luz - o interferômetro de Michelson - e de comparar o intervalo de tempo gasto por dois feixes emitidos de uma mesma fonte em duas direções perpendiculares. Se uma dessas direções fosse a do movimento da Terra em sua órbita ao redor do Sol e a outra perpendicular, uma diferença de intervalos de tempos deveria ser detectada.Mas inacreditavelmente, o éter mostrou não ter qualquer efeito sobre a velocidade da luz, quer o feixe se deslocasse na mesma direção ou perpendicular ao movimento terrestre. Se o éter existisse, a Terra estava em repouso!

Aparato real do experimento de Michelson-Morley que deu significante impulso ao desenvolvimento da teoria da relatividade especial.