Entenda o que é a teoria da relatividade de Einstein

A teoria da relatividade de Einstein consiste em duas partes: a teoria da relatividade especial de 1905 e a teoria geral da relatividade de 1915.

Em meados do século XIX, descobriram-se fenômenos naturais que conflitavam com a lei da gravitação de Newton, que até então era a base da física.

A teoria da relatividade de Einstein acabou por oferecer soluções para alguns fenômenos que não se encaixavam na física clássica. A teoria da relatividade unida são as três teorias fundamentais: a lei da gravitação (ou lei da gravidade), eletrodinâmica e termodinâmica.

 

A teoria especial da relatividade

teoria da relatividade geral pdf

Antes que Einstein tirasse suas conclusões, ele teve que fazer um breve trabalho com várias suposições comuns no meio científico.

Em 1905, Albert Einstein concebeu sua famosa fórmula para a ligação entre massa e energia, quando publicou vários artigos em uma revista de física. Houve também o artigo em que ele introduziu sua famosa fórmula E = mc2.

Em suma, essa fórmula significa que a energia (E) e a matéria (m) podem mudar de lugar. A energia pode ser mantida na matéria com uma massa e essa energia pode ser liberada mais tarde.

 

A velocidade da luz confunde a ciência

Pode ser difícil entender como a velocidade da luz pode influenciar a formação de massa e / ou energia. Então, vamos primeiro olhar para as propriedades da luz. Antes de Einstein publicar seus artigos, os cientistas pensavam que fenômenos como a luz e o som sempre se movem a uma taxa que pode ser maior ou menor, dependendo de onde você está.

Se você dirigir 50 quilômetros por hora em um carro e tiver uma luz com você, a luz seria 50 quilômetros mais rápida de acordo com essa ideia, do que se fosse enviada de um ponto fixo. Mas no final do século 19, os físicos Albert Michelson e Edward Morley fizeram uma série de testes que mostraram que a luz não vai mais rápido ou mais devagar quando você a ‘persegue’.

 

A velocidade da luz é uma classe à parte

feixes de luz

Einstein também achava que a velocidade da luz era uma constante. Ele contou com a teoria da luz de outro cientista: Maxwell, o fundador do eletromagnetismo. Maxwell acreditava que um feixe de luz viaja porque uma pequena quantidade de eletricidade é formada, com seu movimento para frente.

Mas Maxwell nunca entendeu completamente como a luz poderia ir mais rápido ou mais devagar. Einstein introduziu um pensamento totalmente novo, a saber, que a luz sempre se move na mesma velocidade, seja ela emitida de uma lâmpada em movimento ou não.

Como a eletricidade é sempre impulsionada pelo magnetismo que surge, Einstein também sugeriu que ela será mais rápida do que todos os “perseguidores”. Em outras palavras, as ondas de luz começam com a maior velocidade do universo.

 

Massa é energia solidificada

equação de einstein

E o que a velocidade da luz tem a ver com massa e energia? Imagine um ônibus espacial que chega quase tão rápido quanto a luz. O piloto continua a adicionar energia aos motores, mas essa energia não pode ser usada para exceder a velocidade da luz. Por outro lado, essa energia não pode desaparecer – é comprimida em massa. O ônibus espacial é, portanto, mais pesado. Com isso, E (energia) se torna m (massa).

O sol é um exemplo invertido. Cada segunda tonelada de hidrogênio (massa) desaparece, que é convertida em energia. Toda substância na terra é, portanto, energia “solidificada”. E se essa energia pudesse ser liberada, um pedaço de papel já poderia servir para o suprimento de energia.

Mas não é fácil liberar essa energia. Os combustíveis que usamos para obter energia (como gasolina) liberam apenas uma fração da energia que fica presa na matéria.

 

O tempo é relativo

Essa luz tem uma velocidade constante, tem consequências para a nossa compreensão do tempo. Quando duas naves espaciais enviam um flash de luz para a Terra, a luz se move na mesma velocidade para as duas espaçonaves.

Mas quando a nave espacial é estacionária e a outra está se movendo na mesma direção que a luz, uma luz se acende mais tarde que a outra. Depende de qual nave espacial você está. Na espaçonave que fica parada, o tempo vai passar mais rápido do que a bordo da espaçonave em movimento.

No entanto, nunca alcançamos a velocidade da luz; as velocidades com as quais nos movemos na Terra são tão infinitamente baixas que não experimentamos essas variações no tempo. Mas o tempo é relativo, em contraste com a velocidade da luz, que é constante depois de tudo.

Aqui você vê um vídeo que explica o fenômeno do tempo relativo:

 

O paradoxo dos gêmeos

O tempo relativo é frequentemente ilustrado com gêmeos onde um viaja para uma estrela em anos-luz, enquanto o outro permanece na Terra. O transporte é quase tão rápido quanto a luz e, como sabemos agora, o tempo será mais lento para o gêmeo que viaja do que para o gêmeo que esta parado na Terra.

Com isso, o gêmeo que viajou em alta velocidade, passará pelo tempo mais lentamente, consequentemente envelhecerá mais lentamente que seu irmão que ficou parado na Terra e envelheceu mais rápido.

Veja a explicação nesse vídeo:

 

O próximo passo: a teoria geral da relatividade

Nos dez anos posteriores à publicação da teoria da relatividade especial, Einstein estava ocupado em tecer a gravidade em sua teoria. O resultado pôs fim à física clássica e ao entendimento comum da gravidade.

Segundo Einstein, objetos pesados ​​podem alterar a geometria ao seu redor. Em vez de considerar a gravidade como resultado da massa atraindo massa – como fez Newton – Einstein sugeriu que o espaço se curva em torno de objetos de peso variável.

Uma imagem impressionante disso é uma bala de canhão em um trampolim.

tempo relativo

A bala de canhão faz um buraco na superfície do trampolim, e se você colocar uma bola de golfe ao lado dela, ela rola em direção à bala de canhão. Assim, a massa não atrai massa, mas os objetos simplesmente seguem a curvatura do espaço

Neste exemplo, uma bola de golfe irá girar em torno da bola de canhão em alta velocidade, colidindo eventualmente com ela. E é exatamente isso que acontece com os planetas que giram em torno de um objeto pesado, como um buraco negro. Primeiro eles giram e finalmente serão engolidos.

Luz e tempo, que não têm massa, se curvarão ao redor do objeto e continuarão do outro lado – a menos que a curvatura seja tão grande que a luz comece a girar e não possa sair do buraco negro do outro lado. Quanto maior a variação na gravidade, maior a curvatura.

 

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E há a teoria da relatividade de Einstein

foto de albert einstein

Os pensamentos de Einstein transformaram a física de cabeça para baixo. Mas por quê? A explicação de Newton da atração gravitacional dos corpos que se atraíam era pelo menos muito clara e simples.

Aqui na Terra todos nós nos movemos na mesma velocidade com a qual a Terra e o sistema solar giram. É por isso que sentimos que estamos parados.

Como temos praticamente a mesma experiência em todos os lugares do mundo em termos de velocidade e tempo, a teoria gravitacional de Newton é suficiente para entender o mundo. Mas no espaço, onde as distâncias são maiores e onde os corpos celestes são pesados ​​e se movem com grande velocidade em relação uns aos outros, é uma questão diferente.

 

Sem relatividade o GPS estaria inutilizável

exemplo de teoria da relatividade

A teoria geral da relatividade é de enorme importância para a nossa concepção do espaço e do universo. Por exemplo, a teoria do big bang nunca teria surgido sem a teoria da relatividade. Mas a teoria da relatividade também desempenha um papel nos fenômenos mais mundanos.

Tome um GPS, por exemplo, com o qual você pode determinar com precisão a sua posição na Terra até alguns metros. Um sistema de GPS recebe informações de satélites orbitando a Terra em uma órbita fixa. Se você estiver em algum lugar na Terra, seu GPS procurará a posição dos satélites exatamente naquele momento.

Duas questões são importantes aqui. Primeiro os satélites se movem mais rápido em comparação com a nossa posição de descanso aqui na Terra. O tempo de um satélite é, portanto, 7 microssegundos mais lento que na Terra.

Mas o campo gravitacional também desempenha um papel. Os satélites estão localizados a uma distância de 20.000 quilômetros da Terra. A gravidade é quatro vezes menor do que na superfície da Terra, o que significa que o tempo passa 45 microssegundos mais rápido. Se você corrigir esses dois números, o tempo em um satélite será 38 microssegundos mais rápido.

Isso não parece muito, mas se você converter em distância, a diferença de tempo de 38 microssegundos significa uma imprecisão de quase 11 quilômetros por dia. Se você não conhecesse a teoria da relatividade e não pudesse corrigir as diferenças de tempo, um sistema de GPS estaria inutilizável.

 

A teoria da relatividade ainda não foi definitivamente comprovada

O trabalho de Einstein era puramente teórico, e ele não perdeu tempo provando seus pensamentos com experimentos. Mas outros cientistas quiseram comprovar suas teorias. Por exemplo, um experimento foi realizado em 1919, que mostrou que Einstein estava certo quando disse que a luz está se curvando como resultado da geometria do espaço.

Outras partes da teoria de Einstein só foram comprovadas por volta do ano 2000, por exemplo, no centro de pesquisa do CERN na Suíça.

No entanto, ainda existem elementos na teoria da relatividade que ainda não foram definitivamente comprovados. Mas quanto mais experimentos são feitos usando as previsões da teoria, mais forte a teoria se torna.

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