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Princípios da Física Moderna

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por:

A mais profunda emoção que podemos experimentar é inspirada pelo senso de mistério.
Albert Eintein

Você deve estar pensando:

"Ora, o que muda nessa tal Física Moderna?"

Muita coisa, por exemplo:

1) um objeto em movimento sofre uma contração de seu comprimento na mesma direção em que se move;
2) um relógio em movimento bate mais devagar;
3) massa e energia podem ser convertidas entre si;
4) não podemos determinar se os constituintes da matéria são ondas ou partículas;
5) ao observarmos um sistema físico influenciamos seu comportamento; não existe separação entre observador e observado;
6) a presença de matéria deforma a geometria do espaço e altera o fluxo de tempo;
7) não podemos determinar a posição de um objeto, apenas afirmar a probabilidade de ele estar aqui ou ali.
Parece ficção ou alguma frase do filme “Devolta para o Futuro”, não parece? Mas não é.
Eis o pensamento que levou Einstein a criar a Teoria da Relatividade:

"Se eu viajar lado a lado com um raio de luz, com a velocidade c (velocidade da luz no vácuo), eu deveria observar esse raio como um campo eletromagnético em repouso, oscilando espacialmente [como uma corda de violão]. Entretanto, tal fenômeno é impossível, tanto de acordo com os experimentos quanto com as equações de Maxwell. "

Essa situação parecia bastante paradoxal para o jovem Einstein. Afinal, de acordo com a física newtoniana, para alcançarmos uma onda que se move com uma dada velocidade, tudo o que devemos fazer é nos movermos um pouco mais rapidamente que  a onda. Mais ainda, se nos movermos com a mesma velocidade da onda, esta parecerá em repouso, como todo surfista  sabe. O mesmo deveria ser verdade, pois segundo a física newtoniana, não há nada de especial na velocidade da luz, o que não seria possível segundo a teoria de Maxwell, que diz que não existe um campo magnético em repouso: a luz está sempre em movimento. Algo tinha de ceder, e, no final, a ideia de que a velocidade da luz é como qualquer outra velocidade foi abandonada.
Vamos refletir um pouco sobre isso. Considere um trem se movendo para leste (->) com velocidade constante V em relação a um observador de pé na estação. A primeira coisa que percebemos, é que, para um passageiro sentado no trem, é a estação que se move para oeste (<-). Consegui visualizar? Então prosseguimos. Quando dizemos que um objeto está em movimento, sempre nos referimos a algo que não está se movendo com esse objeto, seja nós próprios, uma árvore ou uma estação de trem. Em outras palavras, o movimento existe sempre em relação a algum ponto de referência. 

Ilustração

Agora imagine a seguinte situação (um experimento mental): um passageiro que está no trem está se movendo em direção ao vagão restaurante com velocidade v, indo para o leste (->) em relação ao passageiro sentado  no trem. Para a pessoa na estação, o passageiro está viajando para o leste com velocidade V + v (->). É claro também, se o passageiro estivesse andando na direção oeste (<-), a pessoa na estação mediria sua velocidade como sendo V - v. Isso tudo faz sentido de acordo com o  nosso bom senso e com a física newtoniana. O movimento do passageiro sentado no trem pode ser igualmente estudado pela pessoa sentada no trem como pela pessoa na estação. Esse resultado é resumido no principio da relatividade, que diz que as leis da física são idênticas para passageiro se movendo com velocidade relativas constantes. Por exemplo, a energia conservada é constante.

O trem e a estação são referenciais inerciais. Para referenciais não inerciais, como um trem acelerando em relação à estação, precisamos de uma teoria mais completa, a teoria da relatividade geral.

Agora vem a parte mais interessante. Em vez de um passageiro andando, imagine que o passageiro que estava sentado se levanta e aponta uma lanterna na direção leste (->). “Fácil”, você diz, “a luz da lanterna irá se mover com velocidade c ( c é a velocidade de propagação da luz no vácuo. Aproximadamente 300.000 km/s) em relação ao trem e com velocidadeV + c em relação a pessoa na estação. Certo?” ERRADO! Se isso fosse verdade poderíamos imaginar uma situação em que o passageiro apontaria sua lanterna na direção oeste (<-) e , se a velocidade do trem na direção leste (->) fosse igual à velocidade da luz, então a pessoa na estação veria um raio de luz em repouso, em contradição frontal com a teoria de Maxwell, citada anteriormente. Mas então como a teoria de Maxwell pode ser reconciliada com o princípio da relatividade?

Como solução, Einstein sugeriu que a velocidade da luz no vácuo (espaço vazio) não é como qualquer outra velocidade, mas é especial; a velocidade da luz é a velocidade limite de processos causais na Natureza, a velocidade mais alta com que a informação pode viajar. Mais do que isso, a velocidade da luz é independente da velocidade de sua fonte. O passageiro segurando a lanterna mede a velocidade das ondas de luz produzidas pela lanterna como sendo c, assim como a pessoa que está de pé na estação. Assim, a teoria de Maxwell pode ser reconciliada com o princípio da relatividade.

Em 1905, em seu brilhante manuscrito, Einstein construiu a fundação conceitual da teoria da relatividade especial a partir de dois postulados: 1) as leis da física são as mesmas para observadores movendo-se com velocidade relativa constante; 2) a velocidade da luz no espaço vazio é independente do movimento de sua fonte ou do observador. Esse segundo postulado é novo e, mesmo que possa soar muito inocente, ele tem consequências muito sérias para nossas noções newtonianas de espaço e tempo.

O segundo postulado de Einstein leva ao seguinte resultado surpreendente: a simultaneidade é
relativa. Dois eventos que são simultâneos para o observador A, como duas bolas batendo no chão ao mesmo tempo, não serão simultâneos para um observador B, movendo-se com velocidade constante em relação ao observador A.
Você não acredita? Pois bem, vamos voltar ao exemplo do trem em movimento. O observador A está de pé na estação, e, como antes, o trem está se movendo na direção leste(->) com velocidade V em relação ao observador A sentado exatamente no meio do trem está o observador B. De repente, o observador A vê dois relâmpagos atingirem a frente e a traseira do trem exatamente ao mesmo tempo. ( Não se preocupe, ninguém se machuca num experimento mental.)

Ilustração

O observador A sabe que os relâmpagos atingiram o trem ao mesmo tempo porque sua luz demora exatamente o mesmo tempo para viajar até seus olhos. Portanto, os dois eventos serão simultâneos para o observador A, mas será que são simultâneos para o observador B? Bem, B está se movendo na direção leste com velocidade V. Ele está se dirigindo em direção ao relâmpago que atingiu a frente e se distanciando daquele que atingiu a traseira do trem. Ele verá a luz do relâmpago que atingiu a frente antes de ver a luz do relâmpago que atingiu a traseira. Portanto, para o observador B, os eventos não são simultâneos. O que é simultâneo para um não é simultâneo para outro. Cada observador tem seu tempo particular; dois observadores podem calcular suas medidas se eles conhecerem sua velocidade relativa. Tempo absoluto simplesmente não existe.