O que há de tão especial na relatividade especial?
De experimentos de partículas únicas a configurações de mesa e fenômenos astrofísicos, todos os observadores em todo o Universo observam que a velocidade da luz é constante em todas as situações. Crédito da imagem: Força Aérea dos Estados Unidos.
A primeira grande revolução de Einstein aconteceu em 1905. Ela ainda intriga muitos amadores e profissionais até hoje.
Cada raio de luz se move no sistema de coordenadas “em repouso” com a velocidade definida e constante V, independente de esse raio de luz ser emitido por um corpo em repouso ou por um corpo em movimento. – Albert Einstein, 1905
Existem apenas algumas ideias que são poderosas o suficiente para moldar toda a nossa imagem do Universo e como ele funciona: gravitação, as leis do movimento, eletricidade e magnetismo, mecânica quântica. No entanto, há pouco mais de 100 anos, as leis do movimento – estabelecidas pela primeira vez por Newton, que se baseou nas ideias de Galileu – estavam tendo problemas. Galileu havia declarado, no início dos anos 1600, que não há estado de repouso absoluto e constante; nenhum observador teria uma posição privilegiada. Mas também foi descoberto que a velocidade da luz era constante, não importando quem fosse o observador ou como eles estivessem se movendo. Essas duas ideias podem parecer compatíveis, mas as leis do movimento de Newton não conseguiam encaixá-las. Foi necessária uma nova visão do Universo e da relatividade de Einstein para fazê-lo funcionar. Aqui está como.
Um canhão ferroviário francês de 320 mm, usado durante a Primeira Guerra Mundial.
Imagine que você está em um trem, movendo-se, digamos, a 100 milhas por hora (45 m/s), e você atira uma bala de canhão a uma velocidade adicional de 200 mph (89 m/s). Da sua perspectiva, no trem, você vê a bala de canhão se mover a 200 mph (89 m/s). Da perspectiva de outra pessoa, no chão, eles verão a bala de canhão se mover a 300 mph (134 m/s), já que as velocidades do trem e da bala de canhão devem se somar. Galileu previu isso, e os resultados ainda se mantêm hoje. Mas se você substituir a bala de canhão por luz, tudo ficará instável. A luz viaja a 670.616.629 mph (299.792.458 m/s), e se você disparar um feixe de luz do trem, você, uma pessoa no chão, uma pessoa em um avião, um foguete ou alguém se movendo a qualquer outra velocidade verá a mesma coisa: a luz viajando na mesma velocidade universal, a velocidade da luz.
A luz emitida por um trem parecerá se mover na mesma velocidade para todos os observadores, dentro ou fora do trem ou de qualquer outro corpo em movimento. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Downtowngal, sob uma licença c.c.a.-s.a.-3.0.
A maneira como isso foi descoberto não foi fácil. No final de 1800, a coisa mais rápida que conhecíamos em movimento constante e controlado era a própria Terra. Ele gira em torno de seu eixo a cerca de 465 m/s no equador, mas orbita o Sol a cerca de 30.000 m/s enquanto se move pelo espaço. É rápido o suficiente para que essa segunda velocidade seja aproximadamente 0,01% da velocidade da luz. Isso pode não parecer muito, mas é rápido o suficiente para que haja experimentos que podemos realizar para ver se a velocidade da luz muda por essa pequena quantidade.
Se os comprimentos dos braços forem os mesmos e a velocidade ao longo de ambos os braços for a mesma, então qualquer coisa viajando em ambas as direções perpendiculares chegará ao mesmo tempo. Mas se houver um vento de proa/vento de cauda efetivo em uma direção sobre a outra, haverá um atraso nos horários de chegada. Crédito da imagem: colaboração científica LIGO, via https://www.ligo.caltech.edu/page/ligos-ifo .
Se você voar de Paris para Nova York e voltar em um avião em um vento contrário seguido por um vento de cauda de igual magnitude, demora um pouco mais tempo para aquele avião chegar do que se não houvesse vento algum. Se a luz obedecesse a esse mesmo princípio, levaria um pouco mais tempo para uma onda de luz viajar na direção do movimento orbital da Terra ao redor do Sol do que para uma direção perpendicular a ele. Na década de 1880, Albert A. Michelson construiu uma série de interferômetros ultrassensíveis criados para explorar exatamente esse fato. À medida que o interferômetro girava perpendicularmente e contra a direção do movimento da Terra, deveria haver mudanças no padrão de interferência produzido pelos feixes de luz à medida que se moviam pelo espaço. Mas nenhuma mudança foi observada; este experimento retornou um resultado nulo.
O interferômetro de Michelson (em cima) mostrou uma mudança insignificante nos padrões de luz (em baixo, sólido) em comparação com o que era esperado se a relatividade de Galileu fosse verdadeira (em baixo, pontilhada). Crédito das imagens: Albert A. Michelson (1881); A. A. Michelson e E. Morley (1887). Sobre o Movimento Relativo da Terra e o Éter Luminífero. American Journal of Science, 34 (203): 333.
Este foi talvez o resultado nulo mais importante da história da física, pois significava que a velocidade da luz era constante a todo e qualquer observador. Como diz Chad Orzel, o grande avanço da relatividade de Einstein foi afirmar que as leis da física não dependem de como você está se movendo , e que uma dessas leis é o fato de que a velocidade da luz é uma constante para todos! O que muda para diferentes observadores movendo-se em diferentes velocidades não é a rapidez com que um feixe de luz parece se mover, mas sim a rapidez com que os relógios uns dos outros parecem correr e quão longas distâncias parecem ser entre objetos se movendo em várias velocidades. Essas transformações de contração do comprimento e dilatação do tempo – conhecidas como transformação de Lorentz – foram confirmadas por experimento após experimento.
Um relógio de luz parecerá funcionar de maneira diferente para observadores que se movem em velocidades relativas diferentes, mas isso se deve à constância da velocidade da luz. A lei da relatividade especial de Einstein governa como essas transformações de tempo e distância ocorrem. Crédito da imagem: John D. Norton, via http://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/Special_relativity_clocks_rods/ .
A parte que torna a relatividade especial tão especial é porque essas leis se aplicam a todos, em todos os lugares e em todos os momentos, incluindo campos gravitacionais profundos de todas as magnitudes. Mas para explicar isso, você precisa de uma teoria mais geral: a teoria da relatividade geral de Einstein. As regras da relatividade especial são caso especial da relatividade geral, onde você pode ignorar os campos gravitacionais. A relatividade especial foi descoberta primeiro, por Einstein, em 1905. Dois anos depois, em 1907, Michelson recebeu o Prêmio Nobel por seus experimentos com interferômetro que provaram a constância da velocidade da luz. Não foi até 1915 que Einstein completou sua teoria geral da relatividade, que foi verificada pela curvatura gravitacional da luz das estrelas observada durante um eclipse solar em 1919.
Os resultados da expedição de Eddington de 1919 mostraram, de forma conclusiva, que a Teoria Geral da Relatividade descrevia a curvatura da luz das estrelas em torno de objetos massivos, derrubando a imagem newtoniana. Crédito da imagem: The Illustrated London News, 1919.
O avanço especial da relatividade especial foi combinar o fato de que a velocidade da luz é constante com o fato de que observadores em todos os referenciais percebem as mesmas leis da natureza. Isso continua até hoje! Portanto, tenha certeza, não importa como você está se movendo ou onde você está, não importa quando você olha ou como você faz isso, as leis da física são as mesmas para você e para qualquer um. E esse é um fato do Universo que é muito especial, mesmo 111 anos depois.
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