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Equívoco em massa: a verdadeira razão pela qual não podemos ultrapassar a velocidade da luz

As explicações para o limite de velocidade cósmica geralmente confundem massa com inércia.

Principais conclusões

• A teoria da relatividade de Einstein estabelece um limite de velocidade cósmica: nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz, colocando desafios para a exploração espacial.
• Uma explicação generalizada, mas incorreta, sugere que os objetos ganham massa à medida que se aproximam da velocidade da luz, impossibilitando uma maior aceleração.
• Na realidade, a massa de um objeto permanece constante, enquanto sua inércia muda com a velocidade, impedindo viagens na velocidade da luz ou além dela.

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A teoria da relatividade de Einstein é uma das teorias mais alucinantes já concebidas. Nela, os relógios em movimento tiquetaqueiam mais lentamente do que os estacionários, e as réguas encolhem. Talvez a consequência mais chocante de todas seja que nada pode viajar mais rápido que a luz.

Este último é muito decepcionante para os entusiastas do espaço, pois condena suas esperanças de explorar rapidamente o cosmos. O espaço é vasto, com a estrela mais próxima localizada a quatro anos-luz de distância. Mesmo um simples sinal de rádio, que viaja na velocidade mais rápida possível, levará oito anos para fazer uma viagem de ida e volta.

A ideia de que existe uma velocidade máxima é bastante contra-intuitiva; afinal, na experiência cotidiana, você pode fazer um carro andar mais rápido simplesmente pisando mais fundo no acelerador ou fazendo um upgrade para um carro esportivo. Em foguetes, você pode simplesmente deixar o foguete disparar por mais tempo. Então, por que não podemos nos mover mais rápido que a velocidade da luz?

O limite de velocidade cósmica

Se você ler alguma coisa sobre a teoria da relatividade especial de Einstein, provavelmente lerá que a massa de um objeto aumenta à medida que sua velocidade aumenta. E esta é uma resposta satisfatória e intuitiva. É mais difícil empurrar objetos mais massivos e, portanto, se a massa de um objeto ficar mais pesada, você terá que trabalhar mais para ir mais rápido. E, se a massa de um objeto se tornar infinita perto da velocidade da luz, seria necessária uma quantidade infinita de energia para empurrá-lo ainda mais rápido. Voilá! Problema respondido.

Embora essa resposta seja satisfatória e intuitiva, ela também está errada – pelo menos em detalhes.

Agora, antes que alguém decida me citar dizendo que a teoria da relatividade de Einstein está errada, não o faça. A relatividade de fato afirma que um objeto com massa diferente de zero não pode ir à velocidade da luz, e mesmo objetos sem massa não podem ir mais rápido que a luz. Portanto, essa distorção em massa não ajuda os antigos exploradores interestelares.

Não, a questão não é que a afirmação de uma velocidade máxima esteja errada; a questão é que a explicação está errada. Então, como isso surge?

Massa vs. inércia

A questão surge porque combinamos duas ideias: massa e inércia. A inércia é realmente a propriedade que resiste às mudanças no movimento. Só que em baixas velocidades, inércia e massa são a mesma coisa. Mas isso não é verdade em altas velocidades.

Isso é mais fácil de ver com equações, então vou esboçá-las aqui, mas se você não for uma pessoa matemática, vou usá-las apenas com moderação. Todo mundo já viu a equação mais famosa de Einstein, E = mc², onde E é energia, m é massa e c é a velocidade da luz. Tomado literalmente, diz que energia é igual a massa vezes uma constante. No entanto, esta equação é na verdade um caso especial. A equação totalmente correta é E = γmc², onde γ é um fator que surge em praticamente todas as equações da relatividade. O fator γ está relacionado com a velocidade, aumentando à medida que a velocidade aumenta. Na velocidade zero, γ é igual a um, enquanto a velocidade se aproxima da velocidade da luz, γ se aproxima do infinito. Este parâmetro γ muda, não a massa. A massa é constante.

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Como a relatividade é tão difícil para os alunos entenderem, os professores de física inventaram um conceito pedagógico chamado “massa relativística”. A massa relativística é simplesmente γ vezes a massa. Você pode então colocar a massa relativística na famosa equação de Einstein, e ela se parece com a forma familiar. E é possível usar a massa relativística para muitas outras equações que são ensinadas nas aulas introdutórias de física. Em essência, substituir massa por massa relativística torna mais fácil para os alunos aprenderem a teoria e também fornece uma imagem agradável e intuitiva do que está acontecendo, o que tem a boa consequência de que é mais fácil para os alunos aceitarem toda a estranheza relativística. . A massa relativística é uma ideia amigável ao aluno, não real.

Veja bem, apontar isso não é criticar os professores de física. Eu mesmo ensinei essa ideia ligeiramente incorreta. Assim como um médico pode prescrever um remédio que tem um efeito colateral, mas a ajuda é maior do que o mal, os professores de física devem ponderar o valor de fazer os alunos abraçarem a relatividade, com as consequências desse equívoco sendo relativamente pequenas. Somente os alunos que estão cursando física precisarão entender melhor a explicação mais profunda e correta.

Então, quais são as consequências desse equívoco? Essencialmente, massa, massa relativística, o que isso importa? É importante porque a massa não é apenas uma quantidade que resiste ao movimento – é também uma quantidade que gera gravidade. Portanto, muitos alunos pensam que o campo gravitacional em torno de um objeto em movimento rápido aumenta. Isso faria sentido se a massa estivesse realmente aumentando. Mas isso não.

Esse equívoco em massa ilustra um problema real ao tentar explicar um conceito de ciência profunda usando concessões; um pensador motivado aceitará o compromisso como verdade e seguirá em frente, muitas vezes chegando a uma conclusão perfeitamente razoável, mas errada. A conclusão razoável decorre do que foi ensinado à pessoa, mas está errada porque o compromisso não foi totalmente preciso. Infelizmente, não há substituto para um mergulho profundo.

Portanto, se você é um daqueles pensadores motivados que pensavam que um objeto em movimento rápido tem uma massa maior e uma força gravitacional maior, em nome dos professores de física de todos os lugares, gostaria de me desculpar. A massa não aumenta com a velocidade. A inércia sim. O lado bom é que muitas das consequências importantes da relatividade – mais importante, a conclusão de que nada pode viajar mais rápido que a luz – permanecem verdadeiras.

A mensagem principal - além daquela de que enquanto a inércia aumenta com a velocidade, a massa permanece a mesma - é que é fácil para pessoas inteligentes serem enganadas por explicações simplificadas para problemas complexos. Assim, se você acha que encontrou algo que a comunidade científica profissional deixou passar, talvez seja porque você começou com uma dessas verdades parciais.

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