Relatividade especial: é como a relatividade normal, mas especial.

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A teoria da relatividade especial de Albert Einstein de 1905 é um dos artigos mais importantes já publicados no campo da física. A relatividade especial é uma explicação de como a velocidade afeta a massa, o tempo e o espaço. A teoria inclui uma maneira para a velocidade da luz definir a relação entre energia e matéria, pequenas quantidades de massa (m) podem ser intercambiáveis com enormes quantidades de energia (E), conforme definido pela equação clássica E = mc².

A relatividade especial se aplica a casos "especiais" - é usada principalmente para discutir grandes energias, velocidades ultra-rápidas e distâncias astronômicas, tudo sem as complicações da gravidade. Einstein acrescentou oficialmente a gravidade às suas teorias em 1915, com a publicação de seu artigo sobre a relatividade geral.

À medida que um objeto se aproxima da velocidade da luz, sua massa se torna infinita, assim como a energia necessária para movê-la. Isso significa que é impossível para qualquer matéria viajar mais rápido do que a velocidade da luz. Esse limite de velocidade cósmica inspira novos domínios da física e da ficção científica, à medida que as pessoas consideram viajar por grandes distâncias.

COMO ERA A FÍSICA ANTES DA RELATIVIDADE?

Antes de Einstein, os astrônomos (em sua maioria) entendiam o universo em termos de três leis do movimento apresentadas por Isaac Newton em 1686. Essas três leis são: 

1. Objetos em movimento ou em repouso permanecem no mesmo estado, a menos que uma força externa imponha mudanças. Isso também é conhecido como conceito de inércia.
2. A força que atua sobre um objeto é igual à massa do objeto multiplicada por sua aceleração. Em outras palavras, você pode calcular quanta força é necessária para mover objetos com várias massas em velocidades diferentes.
3. Para cada ação, há uma reação igual e oposta.

As leis de Newton provaram ser válidas em quase todas as aplicações da física, de acordo com a Enciclopédia Britânica. Elas formaram a base para nossa compreensão da mecânica e da gravidade. 

Mas algumas coisas não puderam ser explicadas pelo trabalho de Newton: por exemplo, luz. 

Para encaixar o estranho comportamento da luz na estrutura de Newton, os cientistas físicos do século XIX supunham que a luz deveria ser transmitida por algum meio, que eles chamavam de "éter luminífero". Esse éter hipotético tinha que ser rígido o suficiente para transferir ondas de luz como o som da vibração de uma corda de violão, mas também completamente indetectável nos movimentos de planetas e estrelas. 

Essa era uma tarefa difícil. Os pesquisadores começaram a tentar detectar esse éter misterioso, na esperança de entendê-lo melhor. Em 1887, escreveu o astrofísico Ethan Siegal em seu blog de ciência da Forbes, Starts With a Bang, o físico Albert A. Michelson e o químico Edward Morley calcularam como o movimento da Terra através do éter afetou a forma como a velocidade da luz é medida e, inesperadamente, descobriram que a velocidade da luz é a mesma, não importa qual seja o movimento da Terra.

Se a velocidade da luz não mudou apesar do movimento da Terra através do éter, eles concluíram, não deve haver éter para começar: A luz no espaço se moveu através do vácuo. 

Isso significava que não poderia ser explicado pela mecânica clássica. A física precisava de um novo paradigma.

COMO EINSTEIN SURGIU COM A RELATIVIDADE ESPECIAL?

De acordo com Einstein, em seu livro "Notas Autobiográficas" de 1949 (Open Court, 1999, Edição Centenária), o físico iniciante começou a questionar o comportamento da luz quando tinha apenas 16 anos. Em um experimento mental quando adolescente, ele escreveu, ele se imaginou perseguindo um feixe de luz.

A física clássica implicaria que, à medida que o Einstein imaginário acelerava para pegar a luz, a onda de luz eventualmente chegaria a uma velocidade relativa de zero - o homem e a luz estariam se movendo juntos em velocidade, e ele poderia ver a luz como um campo eletromagnético congelado. Mas, escreveu Einstein, isso contradizia o trabalho de outro cientista, James Clerk Maxwell, cujas equações exigiam que as ondas eletromagnéticas sempre se movessem na mesma velocidade no vácuo: 186.282 milhas por segundo (300.000 quilômetros por segundo). 

O filósofo da física John D. Norton desafiou a história de Einstein em seu livro "Einstein para Todos" (Nullarbor Press, 2007), em parte porque, aos 16 anos, Einstein ainda não teria encontrado as equações de Maxwell. Mas porque apareceu nas próprias memórias de Einstein, a anedota ainda é amplamente aceita.

Se uma pessoa pudesse, teoricamente, alcançar um feixe de luz e vê-lo congelado em relação ao seu próprio movimento, a física como um todo teria que mudar dependendo da velocidade da pessoa e de seu ponto de vista? Em vez disso, contou Einstein, ele buscava uma teoria unificada que tornasse as regras da física as mesmas para todos, em todos os lugares, o tempo todo. 

Isso, escreveu o físico, levou a suas eventuais reflexões sobre a teoria da relatividade especial, que ele dividiu em outro experimento mental: Uma pessoa está de pé ao lado de um trilho de trem comparando as observações de uma tempestade com uma pessoa dentro do trem. E porque isso é física, é claro, o trem está se movendo quase na velocidade da luz.

Einstein imaginou o trem em um ponto da linha igualmente entre duas árvores. Se um raio atingir ambas as árvores ao mesmo tempo, a pessoa ao lado do trilho veria as árvores atingidas simultaneamente. Mas como eles estão se movendo em direção ao raio e para longe um do outro, a pessoa no trem veria o raio à frente do trem primeiro, e depois veria o raio atrás do trem. 

Einstein concluiu que a simultaneidade não é absoluta, ou seja, que eventos simultâneos vistos por um observador podem ocorrer em momentos diferentes da perspectiva de outro. Não é a velocidade da luz que muda, ele percebeu, mas o próprio tempo que é relativo. O tempo se move de maneira diferente para objetos em movimento e para objetos em repouso. Enquanto isso, a velocidade da luz, conforme observada por qualquer pessoa em qualquer parte do universo, movendo-se ou não, é sempre a mesma. 

O QUE E=MC² SIGNIFICA?

Uma das equações mais famosas e conhecidas de toda a história humana, E = mc², se traduz em "energia é igual à massa vezes o quadrado da velocidade da luz". Em outras palavras, escreveu PBS Nova, energia (E) e massa (m) são intercambiáveis. Eles são, na verdade, apenas formas diferentes da mesma coisa. 

Mas eles não são facilmente trocados. Como a velocidade da luz já é um número enorme e a equação exige que ela seja multiplicada por si mesma (ou ao quadrado) para se tornar ainda maior, uma pequena quantidade de massa contém uma grande quantidade de energia. Por exemplo, PBS Nova explicou: "Se você pudesse transformar cada um dos átomos em um clipe de papel em energia pura, sem deixar massa alguma, o clipe produziria [a energia equivalente a] 18 quilotons de TNT. Esse é aproximadamente o tamanho da bomba que destruiu Hiroshima em 1945." 

DILATAÇÃO DO TEMPO

Uma das muitas implicações do trabalho da relatividade especial de Einstein é que o tempo se move em relação ao observador. Um objeto em movimento experimenta dilatação do tempo, o que significa que quando um objeto está se movendo muito rápido, ele experimenta o tempo mais lentamente do que quando está em repouso. 

Por exemplo, quando o astronauta Scott Kelly passou quase um ano a bordo da Estação Espacial Internacional a partir de 2015, ele se movia muito mais rápido do que seu irmão gêmeo, o astronauta Mark Kelly, que passou o ano na superfície do planeta. Devido à dilatação do tempo, Mark Kelly envelheceu um pouco mais rápido do que Scott - "cinco milissegundos", de acordo com o gêmeo terrestre. Visto que Scott não estava se movendo perto da velocidade da luz, a diferença real no envelhecimento devido à dilatação do tempo era insignificante. Na verdade, considerando quanto estresse e radiação o gêmeo aerotransportado experimentou a bordo da ISS, alguns argumentariam que Scott Kelly aumentou sua taxa de envelhecimento.

Mas em velocidades que se aproximam da velocidade da luz, os efeitos da dilatação do tempo podem ser muito mais aparentes. Imagine uma menina de 15 anos que sai do colégio viajando a 99,5% da velocidade da luz por cinco anos (da perspectiva do astronauta adolescente). Quando a garota de 15 anos voltar para a Terra, ela teria envelhecido aqueles 5 anos que passou viajando. Seus colegas de classe, no entanto, teriam 65 anos - 50 anos teriam se passado no planeta de movimento muito mais lento.

Atualmente não temos a tecnologia para viajar para qualquer lugar perto dessa velocidade. Mas com a precisão da tecnologia moderna, a dilatação do tempo realmente afeta a engenharia humana.

Os dispositivos GPS funcionam calculando uma posição com base na comunicação com pelo menos três satélites em órbitas terrestres distantes. Esses satélites têm que manter o controle de um tempo incrivelmente preciso para apontar uma localização no planeta, então eles funcionam com base em relógios atômicos. Mas por causa que esses relógios atômicos estão a bordo de satélites que estão constantemente zunindo através do espaço a 8.700 mph (14.000 km/h), na relatividade especial significa que eles marcam 7 microssegundos extras, ou 7 milionésimos de segundo, a cada dia, de acordo com a publicação da American Physical Society Physics Central. Para manter o ritmo com os relógios da Terra, os relógios atômicos dos satélites GPS precisam subtrair 7 microssegundos a cada dia.

Com efeitos adicionais da relatividade geral (o seguimento de Einstein à relatividade especial que incorpora a gravidade), os relógios mais próximos do centro de uma grande massa gravitacional como a Terra marcam mais lentamente do que os mais distantes. Esse efeito adiciona microssegundos a cada dia em um relógio atômico GPS, então, no final, os engenheiros subtraem 7 microssegundos e adicionam mais 45 de volta. Os relógios GPS não marcam para o dia seguinte até que tenham executado um total de 38 microssegundos a mais do que relógios comparáveis na Terra.

RELATIVIDADE ESPECIAL E MECÂNICA QUÂNTICA

A relatividade especial e a mecânica quântica são dois dos modelos mais amplamente aceitos de como nosso universo funciona. Mas a relatividade especial pertence principalmente a distâncias, velocidades e objetos extremamente grandes, unindo-os em um modelo "suave" do universo. Os eventos na relatividade especial (e geral) são contínuos e determinísticos, escreveu Corey Powell para o The Guardian, o que significa que toda ação resulta em uma consequência direta, específica e local. Isso é diferente da mecânica quântica, Powell continuou: a física quântica é "volumosa", com eventos ocorrendo em saltos ou "saltos quânticos" que têm resultados probabilísticos, não definitivos. 

Os pesquisadores que unem a relatividade especial e a mecânica quântica - o suave e o robusto, o muito grande e o muito pequeno - criaram campos como a mecânica quântica relativística e, mais recentemente, a teoria quântica de campos para entender melhor as partículas subatômicas e suas interações. 

Os pesquisadores que se empenham em conectar a mecânica quântica e a relatividade geral, por outro lado, consideram-na um dos grandes problemas não resolvidos da física. Por décadas, muitos viram a teoria das cordas como a área mais promissora de pesquisa em uma teoria unificada de toda a física. Agora, existe uma série de teorias adicionais. Por exemplo, um grupo propõe loops de espaço-tempo para ligar o minúsculo e robusto mundo quântico com o amplo universo relativístico.

RECURSOS ADICIONAIS

• Confira esta calculadora de dilatação do tempo da Omni Calculator.
• Explore os experimentos mentais de Einstein neste vídeo da PBS Nova.
• Volte à fonte e leia o explicador de Einstein nesta edição traduzida de seu livro, Relativity: The Special and General Theory (Dover, 2001).

Este artigo foi escrito originalmente por Elizabeth Howell e desde então vem sendo atualizado.

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Referência:

STEIN, Vicky. Einstein's Theory of Special Relativity. Space, 20, set. 2021. Disponível em: <https://www.space.com/36273-theory-special-relativity.html>. Acesso em: 21, set. 2021.