Diz-se que a epifania veio a Albert Einstein em um instante. O cientista supostamente estava andando de bonde em Berna (Suíça), olhou para o relógio da rua e de repente percebeu que se o bonde agora acelerasse até a velocidade da luz, então, em sua percepção, esse relógio pararia - e não haveria tempo por perto. Isso o levou a formular um dos postulados centrais da relatividade - que diferentes observadores percebem a realidade de maneira diferente, incluindo quantidades fundamentais como distância e tempo.
Cientificamente falando, naquele dia Einstein percebeu que a descrição de qualquer evento ou fenômeno físico depende do quadro de referência em que o observador está localizado (ver efeito Coriolis). Se um passageiro de um bonde, por exemplo, deixar cair os copos, para ela eles cairão verticalmente para baixo, e para um pedestre parado na rua, os copos cairão em parábola, pois o bonde se move enquanto os vidros caem. Cada um tem seu próprio quadro de referência.
Mas embora as descrições dos eventos mudem durante a transição de um quadro de referência para outro, também existem coisas universais que permanecem inalteradas. Se, em vez de descrever a queda de óculos, fizermos uma pergunta sobre a lei da natureza que os faz cair, a resposta será a mesma para um observador em um sistema de coordenadas fixo e para um observador em um sistema de coordenadas móvel. A lei do tráfego distribuído é igualmente válida na rua e no eléctrico. Em outras palavras, enquanto a descrição dos eventos depende do observador, as leis da natureza não dependem dele, isto é, como se diz na linguagem científica, são invariantes. Este é o princípio da relatividade.
Como qualquer hipótese, o princípio da relatividade teve que ser testado correlacionando-o com fenômenos naturais reais. Do princípio da relatividade, Einstein derivou duas teorias separadas (embora relacionadas). A teoria da relatividade especial, ou particular, parte do pressuposto de que as leis da natureza são as mesmas para todos os referenciais que se movem a uma velocidade constante. A relatividade geral estende esse princípio a qualquer sistema de referência, incluindo aqueles que se movem com aceleração. A teoria da relatividade especial foi publicada em 1905, e a mais complexa do ponto de vista do aparato matemático, a teoria geral da relatividade foi concluída por Einstein em 1916.
Teoria da relatividade especial
A maioria das ideias intuitivas paradoxais e contraditórias sobre o mundo dos efeitos que surgem ao se mover a uma velocidade próxima à da luz são previstas pela teoria da relatividade especial. O mais famoso deles é o efeito de desacelerar o relógio ou o efeito de desacelerar o tempo. Um relógio se movendo em relação ao observador funciona mais devagar para ele do que exatamente o mesmo relógio em suas mãos.
O tempo em um sistema de coordenadas movendo-se com velocidades próximas à velocidade da luz é esticado em relação ao observador, enquanto a extensão espacial (comprimento) dos objetos ao longo do eixo da direção do movimento, ao contrário, é comprimida. Esse efeito, conhecido como contração de Lorentz-Fitzgerald, foi descrito em 1889 pelo físico irlandês George Fitzgerald (1851-1901) e concluído em 1892 pelo holandês Hendrick Lorentz (1853-1928). A abreviatura Lorentz-Fitzgerald explica porque a experiência de Michelson-Morley para determinar a velocidade do movimento da Terra no espaço sideral medindo o "vento do éter" deu um resultado negativo. Mais tarde, Einstein incluiu essas equações na relatividade especial e as complementou com uma fórmula de transformação semelhante para a massa,segundo o qual a massa do corpo também aumenta à medida que a velocidade do corpo se aproxima da velocidade da luz. Assim, a uma velocidade de 260.000 km / s (87% da velocidade da luz), a massa de um objeto do ponto de vista de um observador no referencial em repouso dobrará.
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Desde a época de Einstein, todas essas previsões, por mais contrárias que possam parecer ao bom senso, encontram confirmação experimental completa e direta. Em um dos experimentos mais reveladores, os cientistas da Universidade de Michigan colocaram um relógio atômico ultrapreciso a bordo de um avião que fazia voos transatlânticos regulares e, após cada voo de volta ao aeroporto de origem, verificaram suas leituras com o relógio de controle. Acontece que o relógio do avião ficava cada vez mais atrasado em relação aos relógios de controle (por assim dizer, quando se trata de frações de segundo). Durante o último meio século, os cientistas pesquisaram partículas elementares em enormes complexos de hardware chamados aceleradores. Neles, feixes de partículas subatômicas carregadas (como prótons e elétrons) são acelerados a velocidades próximas à velocidade da luz,então eles são disparados contra vários alvos nucleares. Em tais experimentos com aceleradores, é necessário levar em consideração o aumento na massa das partículas aceleradas - caso contrário, os resultados do experimento simplesmente não se prestariam a uma interpretação razoável. E, nesse sentido, a teoria da relatividade especial há muito passou da categoria de teorias hipotéticas para o campo das ferramentas da engenharia aplicada, onde é usada em paridade com as leis da mecânica de Newton.
Voltando às leis de Newton, gostaria de enfatizar que a teoria da relatividade especial, embora externamente contradiga as leis da mecânica newtoniana clássica, na verdade, reproduz quase exatamente todas as equações usuais das leis de Newton, se aplicada para descrever corpos que se movem com uma velocidade significativamente menos que a velocidade da luz. Ou seja, a teoria da relatividade especial não cancela a física newtoniana, mas a expande e a complementa (essa ideia é discutida com mais detalhes na introdução).
O princípio da relatividade também ajuda a entender por que a velocidade da luz, e não qualquer outra, desempenha um papel tão importante neste modelo da estrutura do mundo - esta pergunta é feita por muitos daqueles que primeiro encontraram a teoria da relatividade. A velocidade da luz se destaca e desempenha um papel especial como constante universal, pois é determinada por uma lei das ciências naturais (ver as equações de Maxwell). Em virtude do princípio da relatividade, a velocidade da luz no vácuo, c, é a mesma em qualquer sistema de referência. Isso aparentemente contradiz o bom senso, pois verifica-se que a luz de uma fonte móvel (não importa o quão rápido ela se mova) e de uma fonte estacionária atinge o observador simultaneamente. No entanto, é assim.
Devido ao seu papel especial nas leis da natureza, a velocidade da luz é fundamental para a relatividade geral.
Teoria geral da relatividade
A teoria geral da relatividade já é aplicada a todos os quadros de referência (e não apenas àqueles que se movem a uma velocidade constante em relação uns aos outros) e parece matematicamente muito mais complicada do que a especial (o que explica o intervalo de onze anos entre sua publicação). Inclui, como um caso especial, a teoria da relatividade especial (e, portanto, as leis de Newton). Além disso, a teoria geral da relatividade vai muito além de todas as suas predecessoras. Em particular, ele fornece uma nova interpretação da gravidade.
A relatividade geral torna o mundo quadridimensional: o tempo é adicionado às três dimensões espaciais. Todas as quatro dimensões são inseparáveis, então não estamos mais falando sobre a distância espacial entre dois objetos, como é o caso no mundo tridimensional, mas sobre os intervalos de espaço-tempo entre eventos que unem suas distâncias um do outro - tanto no tempo quanto no espaço … Ou seja, o espaço e o tempo são considerados como um continuum espaço-tempo quadridimensional ou, simplesmente, espaço-tempo. Nesse continuum, os observadores que se movem em relação uns aos outros podem até discordar sobre se dois eventos aconteceram simultaneamente - ou se um precedeu o outro. Felizmente para nossas mentes pobres, o assunto não chega a uma violação das relações de causa e efeito - isto é, a existência de sistemas de coordenadas,em que dois eventos não ocorrem simultaneamente e em uma sequência diferente, mesmo a teoria da relatividade geral não permite.
A lei da gravidade de Newton nos diz que existe uma força de atração mútua entre quaisquer dois corpos no universo. Deste ponto de vista, a Terra gira em torno do Sol, uma vez que as forças de atração mútua atuam entre eles. A relatividade geral, no entanto, nos obriga a olhar para esse fenômeno de forma diferente. De acordo com essa teoria, a gravidade é uma consequência da deformação ("curvatura") do tecido elástico do espaço-tempo sob a influência da massa (neste caso, quanto mais pesado um corpo, por exemplo, o Sol, mais o espaço-tempo "dobra" sob ele e, consequentemente, mais forte sua gravidade campo). Imagine uma tela bem esticada (uma espécie de trampolim) com uma bola enorme sobre ela. A teia se deforma com o peso da bola e uma depressão em forma de funil se forma ao redor dela. De acordo com a relatividade geral,A Terra gira em torno do Sol como uma pequena bola para rolar em torno do cone de um funil formado como resultado da "força" do espaço-tempo por uma bola pesada - o Sol. E o que nos parece ser a força da gravidade, de fato, é, de fato, uma manifestação puramente externa da curvatura do espaço-tempo, e de forma alguma uma força no entendimento newtoniano. Até o momento, não foi encontrada nenhuma explicação melhor da natureza da gravidade do que a teoria da relatividade geral. Até o momento, não foi encontrada nenhuma explicação melhor da natureza da gravidade do que a teoria geral da relatividade. Até o momento, não foi encontrada nenhuma explicação melhor da natureza da gravidade do que a teoria geral da relatividade.
É difícil testar a teoria da relatividade geral, visto que em condições normais de laboratório seus resultados coincidem quase completamente com o que a lei da gravitação universal de Newton prediz. No entanto, vários experimentos importantes foram realizados, e seus resultados permitem que a teoria seja considerada confirmada. Além disso, a relatividade geral ajuda a explicar os fenômenos que observamos no espaço - por exemplo, ligeiros desvios de Mercúrio de uma órbita estacionária, que são inexplicáveis do ponto de vista da mecânica newtoniana clássica, ou a curvatura da radiação eletromagnética de estrelas distantes ao passar muito perto do Sol.
Na verdade, os resultados previstos pela relatividade geral diferem acentuadamente dos resultados previstos pelas leis de Newton apenas na presença de campos gravitacionais superfortes. Isso significa que, para um teste completo da teoria geral da relatividade, são necessárias medições ultraprecisas de objetos muito massivos ou buracos negros, aos quais nenhuma de nossas idéias intuitivas usuais é aplicável. Portanto, o desenvolvimento de novos métodos experimentais para testar a teoria da relatividade continua sendo uma das tarefas mais importantes da física experimental.
