Quando a teoria da relatividade apareceu no início dos anos 1900, ela fez com que séculos de ciência acabassem e deu aos físicos uma nova compreensão do espaço e do tempo. Isaac Newton viu o espaço e o tempo como fixos, mas no novo quadro proporcionado pela relatividade especial e a relatividade geral eram fluidos e maleáveis.
Quem surgiu com a teoria da relatividade?
Albert Einstein. Publicou a primeira parte da sua teoria – relatividade especial – na revista de física alemã Annalen der Physik em 1905 e completou a sua teoria da relatividade geral apenas após mais uma década de trabalho difícil. Apresentou esta última teoria numa série de conferências em Berlim no final de 1915 e publicada no Annalen em 1916.
O que é a relatividade especial?
A teoria baseia-se em dois conceitos-chave.
- Primeiro, o mundo natural não permite quadros “privilegiados” de referência. Enquanto um objecto se mover em linha recta a uma velocidade constante (ou seja, sem aceleração), as leis da física são as mesmas para todos. É um pouco como quando se olha pela janela de um comboio e se vê um comboio adjacente parecer estar em movimento – mas será que está em movimento, ou estará você? Pode ser difícil dizer. Einstein reconheceu que se o movimento for perfeitamente uniforme, é literalmente impossível de dizer – e identificou isto como um princípio central da física.
li>Segundo, a luz viaja a uma velocidade invariável de 186.000 milhas por segundo. Não importa a velocidade do movimento de um observador ou a velocidade do movimento de um objecto emissor de luz, uma medição da velocidade da luz produz sempre o mesmo resultado.
A partir destes dois postulados, Einstein mostrou que o espaço e o tempo estão entrelaçados de formas que os cientistas nunca tinham percebido anteriormente. Através de uma série de experiências de pensamento, Einstein demonstrou que as consequências da relatividade especial são frequentemente contra-intuitivas – mesmo assustadoras.
Se estiver a fazer zoom num foguete e passar um amigo num foguete idêntico mas de movimento mais lento, por exemplo, verá que o relógio do seu amigo está a andar mais devagar do que o seu (os físicos chamam a isto “dilatação do tempo”).
Além disso, o foguete do seu amigo aparecerá mais curto do que o seu próprio. Se o seu foguete acelerar, a sua massa e a do foguetão aumentarão. Quanto mais rápido for, mais pesadas se tornam as coisas e mais o seu foguete resistirá aos seus esforços para o fazer andar mais depressa. Einstein mostrou que nada que tenha uma massa pode atingir a velocidade da luz.
Outra consequência da relatividade especial é que a matéria e a energia são intercambiáveis através da famosa equação E = mc² (na qual E representa a energia, m a massa, e c² a velocidade da luz multiplicada por si mesma). Uma vez que a velocidade da luz é um número tão grande, mesmo uma pequena quantidade de massa é equivalente a – e pode ser convertida em – uma quantidade muito grande de energia. É por isso que as bombas atómicas e de hidrogénio são tão poderosas.
O que é a relatividade geral?
Essencialmente, é uma teoria da gravidade. A ideia básica é que, em vez de ser uma força invisível que atrai objectos uns aos outros, a gravidade é uma curvatura ou deformação do espaço. Quanto mais maciço um objecto, mais empena o espaço à sua volta.
Por exemplo, o sol é suficientemente maciço para empenar o espaço através do nosso sistema solar – um pouco como a forma como uma bola pesada que repousa sobre uma folha de borracha empena a folha. Como resultado, a Terra e os outros planetas movem-se em trajectórias curvas (órbitas) à sua volta.
Esta deformação também afecta as medições do tempo. Temos a tendência de pensar no tempo como se o tempo estivesse a afastar-se a um ritmo constante. Mas tal como a gravidade pode esticar ou empenar o espaço, também pode dilatar o tempo. Se o seu amigo subir ao topo de uma montanha, verá o seu relógio a fazer tic-tac mais depressa em relação ao seu; outro amigo, no fundo de um vale, terá um relógio mais lento, devido à diferença na força da gravidade em cada lugar. Experiências posteriores provaram que isto de facto acontece.
Como é que a relatividade se parece “debaixo do capô?’
A relatividade especial é, em última análise, um conjunto de equações que relacionam a forma como as coisas são num quadro de referência com a forma como são vistas noutro – o estiramento do tempo e do espaço, e o aumento da massa. As equações não envolvem nada mais complicado do que matemática do ensino secundário.
A relatividade geral é mais complicada. As suas “equações de campo” descrevem a relação entre massa e curvatura do espaço e dilatação do tempo, e são tipicamente ensinadas em cursos de física universitária de nível universitário.
Testes de relatividade especial e geral
No século passado, muitas experiências confirmaram a validade tanto da relatividade especial como da relatividade geral. No primeiro grande teste de relatividade geral, os astrónomos em 1919 mediram a deflexão da luz das estrelas distantes à medida que a luz das estrelas passava pelo nosso sol, provando que a gravidade, de facto, distorce ou curva o espaço.
Em 1971, os cientistas testaram ambas as partes da teoria de Einstein, colocando precisamente relógios atómicos sincronizados em aviões e pilotando-os por todo o mundo. Uma verificação dos relógios depois da aterragem dos aviões mostrou que os relógios a bordo dos aviões estavam a funcionar um pouco mais lentamente (menos de um milionésimo de segundo) do que os relógios no solo.
A disparidade resultou da velocidade dos aviões (um efeito de relatividade especial) e da sua maior distância do centro do campo gravitacional da Terra (um efeito de relatividade geral).
Em 2016, a descoberta das ondas gravitacionais – ondulações subtis no tecido do tempo espacial – foi outra confirmação da relatividade geral.
Relatividade na prática
Embora as ideias por detrás da relatividade pareçam esotéricas, a teoria teve um enorme impacto no mundo moderno.
As centrais nucleares e as armas nucleares, por exemplo, seriam impossíveis sem o conhecimento de que a matéria pode ser transformada em energia. E a nossa rede de satélites GPS (sistema de posicionamento global) precisa de ter em conta os efeitos subtis da relatividade tanto especial como geral; se não o fizessem, dariam resultados que estavam desligados por vários quilómetros.
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