Relatividade Especial e Geral: A Verdadeira Natureza do Espaço, Tempo e Gravidade

No século XIX, a mecânica Newtoniana estava no ápice de seu desenvolvimento, seu maior feito, certamente foi a descoberta de Netuno; a órbita de Urano apresentava desvios não previstos pela da Teoria da gravidade, então alguns astrônomos suspeitaram de um planeta além da orbita de Urano. Os astrônomos; Johann Gottfried Galle, Urbain Jean Joseph Le Verrier e John Couch Adams, independentemente usando a matemática da gravitação Universal de Newton, previram a posição do planeta, que foi observado em 24 de setembro por Johann Gottfried Galle, apenas 1° da posição prevista. a Gravidade Newtoniana funciona… Porém.

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Representação do periélio de Mercúrio

Também havia um desvio na órbita de Mercúrio, a órbita dos planetas são elipses com um ponto de maior e menor aproximação chamados periélio e afélio, o ponto da orbita do periélio não é fixo, varia com o tempo, essa variação é chamada de precessão. A precessão de Mercúrio, medida da Terra é de 5600 segundos de arco (um segundo de arco = 1/3600 graus) a teoria de Newton prevê 5557 segundos de arco, 43 segundos de arco a menos, uma diferença pequena, mas relevante; várias explicações foram propostas, inclusive, que haveria um planeta chamado Vulcano que causaria esse desvio com sua influência gravitacional, uma explicação ad-hoc, que no futuro se mostraria errada. Logo voltaremos nessa questão.

O final do século XIX estava repleto de descobertas, na década de 1860, James Cleark Maxwell postulou a Teoria eletromagnética, que prediz que toda onda eletromagnética viaja numa velocidade constante de aproximadamente 300.000 km/s, a grande questão é constante em relação que? foi proposto que haveria um ”Eter” que permearia todo o universo e seria um referencial para tudo no universo, inclusive para as ondas eletromagnéticas. O próximo passo era a experimentação.

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Representação do movimento da Terra pelo suposto Éter, note que em certos períodos ela viajaria á favor em outros contra, o que seria detectável.

Albert Michelson e Edward Morley, realizaram um experimento para medir a velocidade de movimento da Terra em relação ao éter, se a luz tivesse uma velocidade constante em relação ao éter, haveria uma pequena diferença na velocidade medida da luz, como a luz do sol, em épocas diferentes do ano, causada pelo movimento da Terra.

Não foi encontrado nenhuma diferença, diferente que alguns podem pensar, o problema não é com o movimento da Terra, é com a existência do éter, mesmo com essa evidencia clara que ele não existia, muitos continuaram o adotando e tentando salvar o modelo com outras explicações. Os físicos Lorentz e Fittzgerald sugeriram que quem estivesse se movendo em relação ao Éter, por um motivo desconhecido, os relógios desacelerariam, e as distancias encolheriam. 20 anos mais tarde um jovem Alemão exploraria essas ideias.

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O jovem alemão que mudou o nosso conceito de espaço e tempo

 

 

Em 1905, Albert Einstein publica seu artigo chamado “Zur bewegter Elektrodynamik Körper” ou (“Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento”) neste artigo ele postula dois princípios aparentemente simples; Primeiro, não há um quadro de referência “absoluto”. Toda vez que você mede a velocidade de um objeto, ou seu momento, ou como ele experimenta o tempo, é sempre em relação a outra coisa. Em segundo lugar, a velocidade da luz é a mesma, não importa quem a mede ou quão rápido a pessoa está medindo. Vamos explorar algumas consequências disso.

Imagine um trem passando na estação, e 2 raios o atingem simultaneamente, na parte da frente e outro na parte de trás, um observador parado na estação, que está no meio exato deste trem, vai observar e concluir que os 2 raios o atingiram ao mesmo tempo, a luz tem velocidade constante (como Maxwell previu e os experimentos mostraram) já um observador dentro do trem vai ver primeiro o raio que atingiu a parte frontal, e depois o que atingiu atrás, pois o trem se move em direção ao raio da frente. o Mesmo fenômeno, e conclusões diferentes, quem está certo? segundo a relatividade, não é possível saber, ambos estão certos em seus referenciais, não existe um referencial absoluto, como a física clássica dizia. Vamos supor que cada observador tente medir o tempo que a luz dos raios levou para cada um observar, novamente o observador dentro do trem vai medir um valor menor para o raio frontal e maior para o da outro, já o observador na estação medirá valores iguais para ambos, novamente os dois estão certos, o tempo é relativo. Isso só é estranho, pois no dia-a-dia as velocidades são baixas demais para notarmos esses efeitos, se este trem se movesse a uma velocidade próxima da luz as diferenças seriam muito maiores. E isso já foi provado experimentalmente, em 1971, 4 relógios atômicos foram postos para voar em companhias aéreas  ao redor do mundo, e depois foram comparados ao relógio atômico do Observatório Naval, os relógios que voaram, ficaram atrasados em 180 bilionésimos de segundo, deste então o experimento foi repetido, sempre as previsões da relatividade especial sendo confirmadas.

O trabalho de Einstein, fez com que os físicos percebessem, que o tempo não pode ser tratado como algo separado do espaço, ele é uma nova dimensão, além das usuais (altura, profundidade e largura), o chamado ”espaço-tempo” o tempo é uma nova ”direção”,  cada observador se movendo em velocidades diferentes no espaço, também se movem em velocidades diferentes no tempo. O próximo passo, foi adicionar a gravidade na Teoria, o que exigiria uma grande mudança na física.

Antes de falar da Relatividade Geral, tenho que fazer uma justiça histórica, a matemática da relatividade Geral era muito avançada, até mesmo para Einstein, parte da matemática foi feito por seu amigo Marcel Grossmann, hoje ignorado na história, (deixarei algumas de suas contribuições nas fontes).

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Representação visual da Relatividade Geral, á Terra segue o menor caminho em volta do sol, que é uma curva causada pela massa do sol. Essa representação é aproximada pois ela é 2D o espaço-tempo é 4D

 

Depois de 11 anos de trabalho, Einstein publica a sua Teoria da Relatividade Geral, que além de incorporar os efeitos da Relatividade Especial também propõe que o espaço não é plano como se pensava, mas que se curva na presença de massa e energia, como uma cama elástica curvada com uma bola de boliche, sendo a bola o Sol, os planetas orbitariam sobre a curvatura do espaço-tempo.

A teoria de Einstein faz previsões ligeiramente diferentes da de Newton, inclusive explicava perfeitamente a precessão de Mercúrio citada no começo desse artigo, foi a primeira evidencia de que a Teoria está correta, logo experimentos seriam feitos. Uma das previsões é que a luz seria curvada pela gravidade do sol, o dobro do que era previsto pela teoria Newtoniana, um eclipse solar era necessário para descobrir qual teoria estava de fato correta,  depois de várias tentativas frustradas, em 29 de Maio de 1919 ocorreu um, duas equipes de astrônomos, uma na Ilha do Príncipe em São Tomé e Príncipe, e outra na cidade de Sobral Ceará, fotografaram e mediram o desvio da luz das estrelas, com os mesmos resultados previsto pela Relatividade Geral, deste então milhares de testes foram feitos e a Relatividade Geral passou em todos, inclusive, a previsão das ondas gravitacionais que foi encontrada 100 anos depois. A Gravidade Newtoniana continua sendo usada por ser mais simples e na maioria dos fenômenos é precisa o suficiente, mas para descrever fenômenos extremos a Teoria de Einstein é mais adequado.

A Relatividade Geral forneceu uma nova ferramente na física, fenômenos como buracos negros e ondas gravitacionais que não podem ser tratados na gravidade Newtoniana, foram previstos e descobertos.

Einstein recebeu o Nobel em 1921, não pela Relatividade, mas pelo efeito fotoelétrico, sua contribuição a Mecânica Quântica, que logo tentarei explicar.

Apesar da minha péssima didática, recomendo esse material extra, entender a Relatividade, pelo menos de maneira conceitual, vale muito a pena.

Serie do Davy no canal Primata Falante

Fontes:

Sobre a descoberta de Netuno

https://oneminuteastronomer.com/4237/discovery-of-neptune/

Sobre o Periélio de Mercúrio

http://physics.ucr.edu/~wudka/Physics7/Notes_www/node98.html

Artigo original do experimento de Michelson e Morley

https://history.aip.org/exhibits/gap/PDF/michelson.pdf

http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/lectures/michelson.html

Sobre a Relatividade Especial

https://www.livescience.com/58245-theory-of-relativity-in-real-life.html

Sobre a dilatação do Tempo

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Relativ/airtim.html

https://arxiv.org/pdf/1707.00171.pdf

Testes Modernos da Relatividade Especial

https://www.researchgate.net/publication/243388630_Modern_Tests_of_Special_Relativity

Contribuições de Marcel Grossmann á Relatividade Geral

https://arxiv.org/pdf/1312.4068.pdf

http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/history/Biographies/Grossmann.html

Sobre a Relatividade Geral

https://www.space.com/17661-theory-general-relativity.html

https://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/general_relativity/index.html

Sobre o Eclipse solar de 1919

https://www.space.com/37018-solar-eclipse-proved-einstein-relativity-right.html

Artigo sobre detecção das Ondas gravitacionais

https://sci-hub.tw/https://doi.org/10.1103%2FPhysRevLett.116.241103

Testes da Relatividade Geral

https://sci-hub.tw/https://doi.org/10.1103%2FPhysRevLett.116.241103

https://phys.org/news/2018-06-einstein-theory-gravity-extreme-conditions.html

https://phys.org/news/2017-10-stronger-einstein-theory-relativity-binary.html

https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2018/07/aa33718-18.pdf

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