• Começa com um estrondo

71 anos antes, este cientista venceu Einstein na relatividade

A lei da indução de Michael Faraday, de 1834, foi o experimento chave por trás da eventual descoberta da relatividade. O próprio Einstein admitiu isso.

Principais conclusões

• O pilar central da relatividade é que a velocidade da luz é a mesma para todos os observadores em todo o Universo, independentemente de onde estejam ou da velocidade com que se movem.
• Esse princípio da relatividade foi estabelecido por Einstein em 1905, mas a base foi lançada 71 anos antes por um cientista muito menos apreciado: Michael Faraday.
• Quase um século depois, o próprio Einstein creditou a demonstração experimental de Faraday da 'lei da indução de Faraday' como o principal avanço por trás da relatividade. É difícil discordar.

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O ano de 1905 ficou conhecido, nos círculos científicos, como o “ano do milagre” de Einstein. No mesmo ano, ele publicou artigos sobre o movimento browniano, o efeito fotoelétrico, sua famosa equação E = mc² , e talvez mais notavelmente, a relatividade especial. Mas a relatividade especial é uma daquelas descobertas que aparentemente surgiram do nada. Enquanto todos na física estavam preocupados com muitas das aparentes contradições da mecânica newtoniana com uma variedade de resultados experimentais recentes, a solução de Einstein – de que a velocidade da luz era constante para todos os observadores em todos os referenciais – era verdadeiramente revolucionária.

Mas como ele teve essa ideia?

• Surgiu do resultado do experimento de Michelson-Morley, que falhou em detectar qualquer movimento da Terra através do suposto éter?
• Foi inspirado no trabalho de Lorentz e Fitzgerald, que mostraram que os comprimentos se contraem e o tempo se dilata perto da velocidade da luz?
• Ou foi derivado do trabalho de Maxwell, que unificou a eletricidade com o magnetismo e mostrou que as ondas eletromagnéticas se propagam na velocidade da luz?

Segundo o próprio Einstein, não foi nada disso. Em vez disso, foi um experimento realizado por Michael Faraday em 1831, demonstrando Lei de indução de Faraday , que Einstein credita como sendo a principal realização na raiz da relatividade.

Michael Faraday, cientista e eletricista do século XIX, apresentado na Conferência de Natal da British Royal Institution em 1856. Foram os insights e experimentos notáveis ​​de Faraday que levaram a muitos dos desenvolvimentos modernos em eletricidade e magnetismo.

Houve muitas mentes brilhantes ao longo da história que foram incrivelmente importantes para o desenvolvimento da ciência, mas cujo brilhantismo é subestimado hoje. Embora Einstein, Newton e Maxwell (em alguma ordem) sejam geralmente considerados os três maiores físicos da história, sua fama surge principalmente por causa dos desenvolvimentos teóricos que eles empreenderam.

Mas, indiscutivelmente, ainda mais importantes para o esforço de entender nossa realidade física são os experimentos. Escolher o experimento certo para realizar é uma arte em si: os experimentos, afinal, são nossa maneira de fazer à natureza a pergunta-chave: 'Como você trabalha?' Se realizarmos o experimento certo, esses resultados experimentais fornecerão um conjunto de respostas rico em informações e potencialmente revolucionário.

Hoje, muitas pessoas olham para trás Michael Faraday - uma das maiores mentes do século 19 - com falta de apreço. Alguns o descartam como um mero consertador pelas razões menos cerimoniosas: porque seus grandes sucessos não foram baseados em equações ou previsões explicitamente quantitativas. No entanto, sua intuição para estabelecer experimentos de maneiras engenhosas nos levou a muitas das maiores verdades da natureza que são fundamentais para nossa imagem da realidade física hoje.

Linhas de campo magnético, conforme ilustrado por uma barra magnética: um dipolo magnético, com um pólo norte e um pólo sul unidos. Esses ímãs permanentes permanecem magnetizados mesmo depois que quaisquer campos magnéticos externos são removidos. Não se percebeu que o magnetismo e a eletricidade estiveram ligados por séculos.

Numa época em que a eletricidade estava sendo explorada pela primeira vez e suas aplicações ainda estavam na infância, Faraday estava revelando verdades profundas sobre a natureza interconectada da eletricidade com o magnetismo. Por mais difícil que seja imaginar, a eletricidade e o magnetismo foram originalmente - e por muito tempo depois disso - tratados como fenômenos completamente separados e independentes.

• A eletricidade baseava-se na noção de partículas carregadas que podiam estar estacionárias (onde se atraem ou se repelem) ou em movimento (onde criam correntes elétricas), com a eletricidade estática sendo um exemplo do primeiro e o raio sendo um exemplo do último.
• O magnetismo era tratado como um fenômeno permanente, onde certos minerais ou metais podiam ser permanentemente magnetizados, e a própria Terra também era vista como um ímã permanente, permitindo que nos orientássemos em relação aos nossos pólos magnéticos por meio do uso de uma bússola magnetizada.

Foi apenas no início do século XIX, com a performance de 1820 do famoso experimento de Oersted , que começamos a entender que esses dois fenômenos estavam ligados.

Este desenho à mão mostra um aparato para realizar o experimento de Oersted: demonstrando que correntes elétricas criam campos magnéticos. Esta experiência foi realizada pela primeira vez em 21 de abril de 1820 pelo cientista dinamarquês Hans Christian Oersted. Consiste em um fio condutor suspenso sobre uma agulha de bússola. Quando uma corrente elétrica passa pelo fio, conforme mostrado, a agulha da bússola se desvia para formar um ângulo reto com o fio, independentemente de sua orientação inicial.

Imagine que você tenha um fio que conduza uma corrente elétrica através dele: algo que estávamos aprendendo a fazer no início de 1800 com a invenção das primeiras fontes de tensão. Agora imagine colocar uma agulha de bússola – um pedaço de metal permanentemente magnetizado – ao lado desse fio. O que você espera que aconteça?

O que você descobrirá é que a agulha da bússola sempre se desvia para se alinhar perpendicularmente ao fio que transporta corrente.

Isso foi tão mal previsto que, na primeira vez que o experimento foi realizado, a agulha foi posicionada perpendicularmente ao fio inicialmente e nenhum efeito foi observado. A expectativa era que, se a agulha fosse responder, deveria se alinhar com a corrente elétrica, em vez de perpendicular a ela.

É uma coisa muito boa para o desenvolvimento da ciência, em geral, que existam funileiros, porque foram eles que pensaram em fazer o experimento começando com a agulha já alinhada com o fio. Ao fazer isso, eles foram capazes de observar a primeira ligação entre eletricidade e magnetismo: um ímã inicialmente alinhado se desviará para se alinhar perpendicularmente a um fio condutor de corrente. O resultado desse experimento demonstrou algo revolucionário: uma corrente elétrica, ou cargas elétricas em movimento, gerou um campo magnético. O passo seguinte, dado por Faraday, seria ainda mais revolucionário.

Quando uma corrente flui através da bobina de fio à esquerda, ela altera o campo magnético na espira de fio à direita, induzindo uma corrente elétrica dentro dela. Quando uma corrente flui na direção oposta na bobina à esquerda, como é o caso de todos os circuitos CA, o campo oposto é gerado no circuito à direita, criando uma corrente que flui na direção oposta. Isso demonstra o princípio da indução eletromagnética.

A maioria de nós já ouviu falar da terceira lei do movimento de Newton, que afirma que, para cada ação, ocorre uma reação igual e oposta. Sempre que você empurra um objeto com uma certa quantidade de força, esse objeto empurra de volta contra você com uma força igual e oposta. Quando a Terra o puxa para baixo com sua força gravitacional, você puxa a Terra para trás com uma força gravitacional igual e oposta.

Mas há mais exemplos de “ações” e “reações” do que apenas forças mecânicas e gravitacionais.

Considere o seguinte. Acabamos de ver, pelo experimento de Oersted, que uma carga elétrica em movimento dentro de um fio (ou seja, uma corrente elétrica) é capaz de gerar um campo magnético. Qual seria a configuração igual e oposta desse cenário? Talvez, se alguém gerasse um campo magnético da maneira certa, poderia causar a geração de correntes elétricas (ou seja, o movimento de cargas elétricas) dentro de um fio colocado corretamente. Faraday, depois de mexer em uma variedade de configurações, finalmente encontrou uma que funcionava. Ele determinou que, se você mudasse o campo magnético dentro de um loop de fio movendo um ímã permanente para dentro ou para fora dele, esse campo magnético variável geraria uma corrente elétrica no próprio loop.

Uma das primeiras aplicações da lei de indução de Faraday foi observar que uma bobina de fio, que criaria um campo magnético em seu interior, poderia magnetizar um material, causando uma mudança em seu campo magnético interno. Esse campo variável induziria então uma corrente na bobina do outro lado do ímã, fazendo com que a agulha (à direita) se desviasse. Os indutores modernos ainda dependem desse mesmo princípio.

Faraday fez essa descoberta pela primeira vez em 1831 e estava determinado a revelar detalhes cada vez mais precisos sobre como essa relação entre magnetismo e eletricidade realmente funcionava. Depois de mexer em uma configuração envolvendo apenas alguns ingredientes – fios que podem ser dobrados em várias formas, baterias, ímãs e pedaços de metal – ele mostrou com sucesso quais efeitos ocorriam sob uma variedade de condições.

• Quando você muda o campo magnético dentro de uma espira ou bobina de fio, você induz uma corrente elétrica que se opõe à mudança no campo.
• Se você colocar um anel de ferro em torno de duas voltas de fio e passar uma corrente elétrica por uma volta, você gera uma corrente na outra volta.
• Se você girar um disco de cobre (condutor) perto de uma barra magnética com um condutor elétrico, poderá gerar uma corrente elétrica constante; esta foi a invenção do primeiro gerador elétrico.
• E se você mover uma bobina de fio condutor de corrente para dentro ou para fora do interior de uma bobina de fio sem corrente através dela, ela criará uma corrente elétrica na bobina maior.

Um dos experimentos de 1831 de Faraday demonstrando indução. A bateria líquida (à direita) envia uma corrente elétrica através da pequena bobina (A). Quando é movido para dentro ou para fora da bobina grande (B), seu campo magnético induz uma tensão momentânea na bobina, que é detectada pelo galvanômetro conectado (dispositivo de detecção de tensão).

Todos esses fenômenos poderiam ser encapsulados por uma única regra física, hoje conhecida como Lei de indução de Faraday . Embora a maioria de seus primeiros experimentos tenha sido realizada em 1831 e 1832, a lei da indução foi apresentada essencialmente em sua forma moderna apenas alguns anos depois: em 1834. E foi pensando nessa lei da indução que Einstein começou a descobrir o que conhecemos hoje como o princípio da relatividade.

Veja como imaginar por si mesmo quase exatamente da mesma maneira que Einstein fez. Considere as duas configurações a seguir, ambas envolvendo uma bobina de fio e uma barra magnética permanentemente magnetizada.

1. Você tem uma bobina de fio fixa e estacionária e uma barra magnética que pode ser movida para dentro ou para fora da bobina de fio. Você move o ímã para dentro da bobina a uma velocidade constante e observa a corrente elétrica aparecer na bobina.
2. Você tem uma barra magnética fixa e estacionária e uma bobina de fio que você pode mover livremente para dentro ou fora do ímã. Você move a bobina para o ímã a uma velocidade constante e observa a corrente elétrica aparecer na bobina.

Se você pensar nesses dois cenários sem considerar a relatividade, imaginaria que cada um desses dois experimentos seria regido por fenômenos muito diferentes um do outro.

Quando você move um ímã para dentro (ou para fora) de um loop ou bobina de fio, ele faz com que o campo mude ao redor do condutor, o que causa uma força nas partículas carregadas e induz seu movimento, criando uma corrente. Os fenômenos são muito diferentes se o ímã estiver parado e a bobina se mover, mas as correntes geradas são as mesmas. Este foi o ponto de partida para o princípio da relatividade.

No primeiro cenário, você move o ímã para uma bobina condutora estacionária. Conforme você o move, o ímã começa a ver um campo elétrico surgir, e esse campo deve conter uma certa quantidade de energia, como todos os campos elétricos. Como há um campo elétrico, as cargas elétricas agora são compelidas a se mover, produzindo uma corrente no condutor que depende da energia do campo elétrico gerado pelo ímã em movimento. Este cenário corresponde à primeira configuração acima.

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No segundo cenário, onde você mantém o ímã estacionário e move a bobina condutora para baixo sobre o ímã, agora não haveria campo elétrico surgindo ao redor do ímã. O que acontece, em vez disso, é que você obtém uma tensão (ou força eletromotriz) surgindo de dentro do condutor, que não possui nenhuma energia correspondente inerente a ele. Este cenário corresponde à segunda configuração acima.

No entanto, experimentalmente, ambas as configurações devem ser equivalentes. Em ambos os cenários, um ímã se move para uma bobina de fio na mesma velocidade, onde produzem as mesmas correntes elétricas de mesma magnitude, intensidade e direção nas bobinas de fio. E foi essa percepção, mais do que qualquer outra, que levou Einstein ao princípio da relatividade.

Um relógio de luz, formado por um fóton saltando entre dois espelhos, definirá o tempo para qualquer observador. Embora os dois observadores possam não concordar um com o outro sobre quanto tempo está passando, eles concordarão sobre as leis da física e sobre as constantes do Universo, como a velocidade da luz. Quando a relatividade é aplicada corretamente, suas medidas serão consideradas equivalentes umas às outras.

O princípio reconhece, antes de tudo, que não existe um estado de repouso absoluto. Se duas coisas estão em movimento uma em relação à outra, não importa se a “coisa 1” está se movendo e a “coisa 2” está estacionária ou vice-versa; a realidade física que existe independe do ponto de vista que adotamos. O princípio da relatividade determina que todos os observadores, independentemente de quão rápido ou em que direção estejam se movendo, verão as mesmas leis que regem a realidade uns dos outros. Isso se aplica às leis da eletricidade e do magnetismo, às leis da mecânica e da gravitação e a quaisquer leis fundamentais que restaram a serem descobertas naquela época.

Quando falamos sobre relatividade hoje, quase sempre discutimos o experimento de Michelson-Morley, que mostrou que a velocidade na qual a luz viaja não muda, independentemente de você orientá-la com o movimento da Terra ao redor do Sol (a ~ 30 km/s , ou aproximadamente 0,01% da velocidade da luz) ou perpendicular a esse movimento, ou mesmo em qualquer ângulo arbitrário em relação ao movimento da Terra. Observa-se que a velocidade da luz é sempre uma constante, independentemente de como nos movemos.

O interferômetro de Michelson (topo) mostrou uma mudança insignificante nos padrões de luz (abaixo, sólido) em comparação com o que seria esperado se a relatividade de Galileu fosse verdadeira (abaixo, pontilhado). A velocidade da luz era a mesma, independentemente da direção em que o interferômetro estava orientado, incluindo com, perpendicular ou contra o movimento da Terra no espaço.

Mas foi a genialidade da lei da indução de Faraday, que demonstrou a equivalência experimental de duas configurações que parecem tão diferentes na superfície, que primeiro mostrou como o movimento absoluto de um sistema não é importante na determinação de um resultado físico. Apenas o movimento relativo dentro do sistema importa, não o ponto de vista ou quadro de referência que você adota. Foi apenas um pequeno passo desde o notável trabalho de Faraday sobre indução na década de 1830 até a revolução einsteiniana de 1905.

Talvez o próprio Faraday tenha percebido isso, pois muitos de seus experimentos demonstram uma compreensão profunda do movimento relativo de partículas carregadas e da universalidade da eletricidade e do magnetismo como um fenômeno único e inter-relacionado. Alguns anos antes de sua morte, ele entregou um palestra perante a Royal Society em “As várias forças da matéria e suas relações entre si”, que continha uma série de momentos filosóficos prescientes que sugeriam, no mínimo, que ele havia pensado sobre a universalidade das leis físicas em qualquer quadro de referência. Infelizmente, Faraday morreu sem nunca publicar material escrito sobre o assunto, então nunca saberemos. Mas talvez se Einstein pode creditar Faraday como sua inspiração para o desenvolvimento da relatividade, talvez todos devêssemos nos lembrar de seu legado científico também.

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