A teoria da relatividade especial, apresentada por Albert Einstein em 1905, é uma das teorias mais influentes no campo da física teórica e prática do século XX. Qualquer físico sabe disso, mas como explicar para quem não tem nada a ver com a ciência? Existem coisas e fenômenos observados na vida cotidiana que poderiam demonstrar esta teoria revolucionária em ação?
Teoria da relatividade
Formulada por Albert Einstein em 1905, a teoria científica da relatividade sugere que:
- todos os processos físicos são iguais em todos os lugares, e as leis da física são observadas em qualquer ambiente;
- existe uma velocidade máxima de propagação das interações que não pode exceder a velocidade da luz;
- espaço e tempo são homogêneos.
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A teoria explica o comportamento de vários objetos no espaço-tempo, o que torna possível prever desde a existência de buracos negros, nos quais o próprio Einstein não podia acreditar, até ondas gravitacionais. A relatividade parece enganosamente simples, mas não é totalmente verdade.
Influência da teoria da relatividade
A teoria da relatividade explica não apenas fenômenos surpreendentes como ondas gravitacionais e buracos negros, mas também como o espaço-tempo é percebido de forma diferente dependendo da velocidade e direção do movimento dos objetos.
Se a velocidade da luz for sempre constante, isso significa que para um astronauta se movendo muito rapidamente em relação à Terra, os segundos passam mais devagar do que para um observador da Terra. O tempo está essencialmente diminuindo para o astronauta.
Mas não precisamos necessariamente de uma nave espacial para observar vários efeitos relativísticos. Na verdade, existem muitos casos em que a teoria da relatividade especial, projetada para aprimorar a mecânica newtoniana, se manifesta em nossa vida diária e nas tecnologias que usamos regularmente.
Eletricidade
O magnetismo é um efeito relativístico e, se você usa eletricidade, pode agradecer à relatividade por fazer os geradores funcionarem.
Se você pegar um condutor e expô-lo a um campo magnético, uma corrente elétrica é gerada. Partículas carregadas em um condutor são expostas a um campo magnético variável, que as força a se moverem e cria uma corrente elétrica.
Eletroímãs
O trabalho dos eletroímãs também é perfeitamente explicado pela teoria da relatividade. Quando uma corrente contínua de carga elétrica passa por um fio, os elétrons dele derivam. Normalmente, o fio parece ser eletricamente neutro, sem carga positiva ou negativa. Isso é uma consequência da presença nele do mesmo número de prótons (cargas positivas) e elétrons (cargas negativas). Mas se você colocar outro fio próximo a ele com um fluxo direto de eletricidade, os fios se atraem ou se repelem, dependendo da direção em que a corrente se move no fio.
Se a corrente se move na mesma direção, os elétrons do primeiro fio “percebem” os elétrons do segundo fio como estacionários (se a carga elétrica for da mesma força). Enquanto isso, em termos de elétrons, os prótons em ambos os fios estão em movimento. Devido ao encurtamento relativístico do comprimento, eles parecem estar localizados mais próximos um do outro, portanto, ao longo de todo o comprimento do fio, há mais carga positiva do que negativa. Como as mesmas cargas são repelidas, os dois fios também o são.
A corrente viajando em direções opostas faz com que os condutores se atraiam.
Sistema de Posicionamento Global
Para uma navegação GPS mais precisa, os satélites devem levar em consideração os efeitos relativísticos. Isso se deve ao fato de que, apesar do fato de os satélites se moverem muito mais devagar do que sua velocidade máxima, eles ainda se movem rápido o suficiente. Os satélites enviam seus sinais para as estações terrestres. Eles, como os navegadores GPS de carros, smartphones e outros dispositivos, experimentam uma aceleração maior devido à gravidade do que os satélites em órbita.
Para atingir a precisão perfeita, os satélites contam com relógios superprecisos para dizer os tempos até nanossegundos (bilionésimos de segundo). Como cada satélite está 20.300 quilômetros acima da Terra e viaja lá a cerca de 10.000 quilômetros por hora, aparece uma diferença de tempo relativística de cerca de quatro microssegundos por dia. Adicione gravidade à equação e o número aumenta para cerca de sete microssegundos. Isso é cerca de 7 mil nanossegundos.
A diferença é muito grande: se nenhum efeito relativístico fosse levado em consideração, o navegador GPS estaria equivocado em quase 8 quilômetros no primeiro dia.
Cor nobre de ouro
Os metais parecem brilhantes porque os elétrons em seus átomos se movem entre diferentes níveis de energia ou orbitais. Alguns fótons de luz que atingem uma superfície de metal são absorvidos e então emitidos por uma onda de luz mais longa. A maioria dos raios de luz visíveis são simplesmente refletidos.
O átomo de ouro é muito pesado, então os elétrons no núcleo se movem rápido o suficiente, resultando em um aumento relativo significativo na massa. Como resultado, os elétrons giram em torno do núcleo em uma órbita mais curta e com mais momentum. Os elétrons nos orbitais internos carregam uma carga que coincide aproximadamente com a carga dos elétrons externos, respectivamente, a luz absorvida e refletida é caracterizada por uma onda mais longa.
Comprimentos de onda de luz mais longos significam que parte da luz visível que normalmente seria apenas refletida foi absorvida pelos átomos, e essa parte está na extremidade azul do espectro. Isso significa que a luz refletida e emitida pelo ouro está mais próxima do espectro de comprimento de onda mais longo, ou seja, tem mais amarelo, laranja e vermelho, e quase nenhuma onda curta de azul e violeta.
O ouro é virtualmente indestrutível
O efeito relativístico observado nos elétrons do ouro também é a razão de o metal não sofrer corrosão e reagir mal com outros elementos.
O ouro tem apenas um elétron na camada externa do elétron, mas, apesar disso, é ainda menos ativo do que o cálcio ou o lítio, que são semelhantes em estrutura. Os elétrons no ouro são mais pesados e, portanto, localizados mais próximos do núcleo do átomo. Isso significa que o elétron externo mais distante, muito provavelmente, estará entre os "próprios" elétrons da camada interna, que começará a reagir com os elétrons externos de outro elemento.
Estado líquido de mercúrio
Como o ouro, o mercúrio também apresenta átomos pesados com elétrons orbitando perto do núcleo. Conseqüentemente, segue-se um aumento relativo na velocidade e massa devido à redução na distância entre o núcleo e a partícula carregada.
As ligações entre os átomos de mercúrio são tão fracas que o mercúrio derrete a temperaturas mais baixas do que outros metais e é geralmente líquido na maioria dos casos em que é observado na vida cotidiana.
TVs e monitores antigos
Não muito tempo atrás, a maioria das televisões e monitores eram dispositivos de raios catódicos. Um tubo de raios catódicos é um dispositivo que reproduz uma imagem óptica disparando elétrons em feixes ou feixes de raios em uma superfície luminescente com um grande ímã. Cada elétron cria um pixel iluminado após atingir a parte de trás da tela. Os elétrons são lançados em alta velocidade igual a cerca de 30% da velocidade máxima, ou a velocidade da luz.
Para que uma imagem ótica funcional fosse formada, os eletroímãs instalados no aparelho a fim de direcionar os elétrons para a parte necessária da tela tiveram que levar em consideração vários efeitos relativísticos de modo a não interromper todo o sistema.
Hope Chikanchi
