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A Teoria da Relatividade

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Aparentemente é algo simples, mas ao mesmo tempo complexo, difícil de entender e mais ainda de explicar. Tudo começou com uma pergunta: que é a luz ?

José Escorihuela

A luz que nós vemos é tão somente uma pequena porção do espectro invisível que toda a radiação eletromagnética comporta desde as microondas que concentram uma grande energia até as ondas de rádio de grande longitude. A luz é misteriosa porque participa de uma dupla natureza, é uma onda, porém também é uma partícula que se conhece como fóton. Quando se transmite funciona como as ondas da água quando lançamos uma pedra em um tanque, mas quando se choca com um objeto que não pode atravessar atua como um corpúsculo. Este é o primeiro princípio de um longo desenvolvimento conhecido como mecânica quântica, teoria na qual paradoxalmente Einstein nunca acreditou, apesar de ser considerado um dos seus fundadores. As conclusões da mecânica quântica referem-se a indeterminismo e casualidade no mundo microscópico, e a visão pessoal de Einstein concebia o contrário: finalismo, causalidade, leis em toda a Natureza.

A luz existe porque se move, porque vibra. No preciso momento em que deixe de se mover converte-se em um corpo negro, pois absorve toda a luz e não emite nada. O movimento contínuo deste espectro eletromagnético traduz-se em energia. O universo, por estar repleto de ondas eletromagnéticas, está cheio de energia.

Imaginemos que dois golpes consecutivos são dados sobre uma parede. Parecerá que os dois golpes foram dados no mesmo lugar, porém não é assim. Pensando que estamos sobre um planeta em movimento ao redor do Sol, que nosso Sol está movendo-se na galáxia, em um dos confins mais distantes, e que nossa galáxia se dirige para a constelação de Hércules, evidentemente os golpes não foram dados sobre o mesmo lugar físico, geométrico, pois este se moveu. Para um observador comum foram dados no mesmo lugar. Einstein desejava encontrar estes invariantes, estes absolutos, estas referências a respeito das quais medir tudo o demais, como neste caso particular dos golpes na parede.

Tais golpes são dados no mesmo lugar para o meu ponto de vista, pois o sistema de referência que eu utilizo sou eu mesmo, mas isto não se dá em relação ao centro do Universo, porque este lugar físico onde impacta o golpe moveu-se no espaço. Na realidade, a referência a seguir seria um ponto do Universo que permanecesse estático (seu centro ?) provavelmente muito afastado de nós. O problema de nosso mundo é que tudo se move em relação a tudo, tudo vibra, como a luz, este espectro eletromagnético de energia que se desloca por todo o universo à velocidade limite.

Ao questionar-se sobre o mundo da luz, Einstein chegou à conclusão que nossos sentidos nos enganam, mas que este engano faz parte da própria Natureza e de sua forma de manifestar-se.

E esta aparente ilusão com que nos enfrentamos ante a realidade existe tanto no plano físico como no psicológico e no mental. Nossos sentidos e nossas maneiras de entender a realidade estão cheias de subjetivismo. Então, em que podemos nos apoiar ? Existe alguma certeza objetiva, alguma lei inamovível ? Na realidade, Einstein nunca acreditou nesta aparente relatividade (“tudo é relativo”), e se dedicou à busca dos referenciais físicos inamovíveis.

Quando o senso comum não encontra respostas na Natureza, é preciso lançar mão da Matemática e da Física como instrumentos.

O problema clássico do trem

Vamos nos imaginar viajando em um trem, no vagão central, lendo tranqüilamente nosso jornal. Imagine que projetamos com uma lanterna, desde o vagão central, dois feixes de luz, um para o último vagão e outro para o vagão do maquinista. Para o passageiro do vagão central, os dois feixes de luz chegam ao mesmo tempo tanto em um extremo como no outro do trem. Evidentemente, percorreu o mesmo espaço. Porém, que conclusão tiraria um camponês que vê passar o trem do exterior ? Verá que o feixe de luz que vai para o último vagão chegará antes à parte traseira do trem, porque esta se aproxima do raio de luz. E demorará mais para chegar o feixe de luz que vai para o vagão do maquinista, porque este está afastando-se do raio de luz com a velocidade própria do trem. Evidentemente, tanto o passageiro como o camponês têm razão. O que é simultâneo para o passageiro não é para o camponês. Então, as leis da Natureza são diferentes para os dois observadores ? Tudo é relativo para cada observador, porém a lei deve ser a mesma, neste caso a lei da propagação da luz com velocidade uniforme e constante.

Como é possível que a luz chegue e não chegue ao mesmo tempo nos dois extremos ?

Einstein começa por questionar o conceito mais inabalável em nós: o tempo.

O tempo não é absoluto, é relativo. O tempo é diferente para o passageiro que está no trem e para o camponês que o observa; cada um tem o seu tempo. O tempo é diferente para cada observador, é plástico, elástico. Existe um tempo próprio para cada era geológica, para época histórica, para cada ser humano. Como vivemos em um mundo macroscópico onde as velocidades não são como a velocidade da luz, nossos tempos são aparentemente iguais. Em um caso real como o que vimos anteriormente, o camponês e o passageiro praticamente não encontrariam diferenças entre os raios de luz que vão em direções contrárias. Outra coisa aconteceria se o trem se deslocasse a uma velocidade quase igual a da luz e nossos sentidos estivessem preparados para perceber nestas circunstâncias. Se vivêssemos em um universo onde fosse possível nos mover em velocidades tão altas como as das partículas de luz, o tempo acompanhando o movimento destas partículas e o tempo em repouso seriam diferentes.

A Teoria da Relatividade se baseia em três princípios: a não existência de sistemas de referência privilegiados em nosso mundo manifestado, a relatividade do tempo e a constância da velocidade da luz. Este último princípio é um tanto quanto paradoxal. Imaginemos uma escada mecânica. Se permanecemos parados sobre ela, nossa velocidade relativa em relação ao solo será a velocidade da escada, porém se subimos por ela em uma determinada velocidade, a velocidade em relação ao solo será a soma de ambas e nos afastaremos do solo com maior velocidade. Mas, que aconteceria se a velocidade da escada fosse a velocidade da luz ? Usando a lógica anterior, se subíssemos andando por esta escada a velocidade resultante seria superior a da luz. Mas é impossível superar a velocidade da luz, por muito que corrêssemos sobre esta escada mecânica o esforço seria inútil. É um limite, como dizia Einstein, até que a natureza se canse dos seus próprios limites.

Foram feitos muitos experimentos para encontrar a verdadeira velocidade da luz, tanto indo a favor como contra a velocidade da Terra. São famosos os experimentos de Michelson-Morley na cidade de Chicago, por volta de 1900. Inclusive chegou-se a paralisar a cidade para que nenhuma vibração alterasse estes experimentos de alta precisão e obteve-se a conclusão de que a velocidade “c” da luz era uma constante.

Em relação ao tempo, foram feitos experimentos em aviões supersônicos com relógios atômicos. Se em um avião que supera a velocidade do som colocamos um relógio atômico, e o sincronizamos com outro sobre a Terra, ao aterrissar o relógio do avião sofre um atraso de alguns milionésimos de segundo. Em velocidades próximas à velocidade da luz, o tempo se dilata. Vários exemplos servem para explicar estes paradoxos do tempo. Consideremos dois fumantes, um no centro de uma via circular e outro dentro de um trem que circula a altíssima velocidade. A conclusão a que chega o fumante estático no centro da via é que o cigarro do viajante deve ser de melhor qualidade, pois dura mais.

Tudo isto evidentemente não podemos vivenciar, porque nos movemos em um mundo macroscópico onde alcançar estas velocidades tão altas requereria energia superior aquela que um ser humano pode gerar. Mas atualmente temos a oportunidade de trabalhar no mundo das partículas atômicas, nos aceleradores de partículas. Neste ambiente se observam fenômenos relativísticos extraídos das equações da Teoria da Relatividade. Por exemplo, podemos ver como a massa das partículas nestas altas velocidades aumenta ou como seu comprimento se contrai.

Na realidade não é que nestas velocidades os objetos pesem mais ou mudem suas característica físicas. Eu peso o mesmo sobre uma balança a esta velocidade ou sobre outra que permaneça parada, porque o observador sou eu. O problema surge ao comparar o mesmo fenômeno, visto por dois observadores em estados diferentes. O verdadeiro relativismo implica a existência de dois pontos de vista diferentes.

Recordando a época em que foi publicada a teoria da relatividade restrita, foi um breve manuscrito de poucas páginas, porém causou uma verdadeira comoção entre a elite científica.

Muitos se mostraram céticos. Mas outros, como Madame Curie, chegaram a catalogar Einstein pela primeira vez como o maior físico do século XX.