Quando a teoria da relatividade apareceu no início dos anos 1900, ela perdurou séculos de ciência e deu aos físicos uma nova compreensão do espaço e do tempo. Isaac Newton viu o espaço e o tempo como fixos, mas no novo quadro fornecido pela relatividade especial e relatividade geral eles eram fluidos e maleáveis.

Quem surgiu com a teoria da relatividade?

Albert Einstein. Ele publicou a primeira parte de sua teoria – relatividade especial – na revista alemã de física Annalen der Physik em 1905 e completou sua teoria da relatividade geral somente depois de mais uma década de trabalho difícil. Ele apresentou esta última teoria em uma série de palestras em Berlim no final de 1915 e publicada no Annalen em 1916.

O que é relatividade especial?

A teoria é baseada em dois conceitos-chave.

• Primeiro, o mundo natural não permite quadros “privilegiados” de referência. Enquanto um objeto se move em linha reta a uma velocidade constante (ou seja, sem aceleração), as leis da física são as mesmas para todos. É um pouco como quando você olha pela janela de um trem e vê um trem adjacente parecer se mover – mas ele está se movendo, ou você está? Pode ser difícil dizer. Einstein reconheceu que se o movimento é perfeitamente uniforme, é literalmente impossível dizer – e identificou isto como um princípio central da física.
• Segundo, a luz viaja a uma velocidade invariável de 186.000 milhas por segundo. Não importa quão rápido um observador esteja se movendo ou quão rápido um objeto emissor de luz esteja se movendo, uma medida da velocidade da luz sempre produz o mesmo resultado.

A partir destes dois postulados, Einstein mostrou que espaço e tempo estão entrelaçados de maneiras que os cientistas nunca haviam percebido anteriormente. Através de uma série de experiências de pensamento, Einstein demonstrou que as consequências da relatividade especial são muitas vezes contra-intuitivas – mesmo assustadoras.

Se você estiver fazendo zoom em um foguete e passar um amigo em um foguete idêntico mas de movimento mais lento, por exemplo, você verá que o relógio do seu amigo está passando mais devagar do que o seu (os físicos chamam isso de “dilatação do tempo”).

O que é mais, o foguete do seu amigo aparecerá mais curto do que o seu próprio. Se o seu foguete acelerar, a sua massa e a do foguete vão aumentar. Quanto mais rápido você for, mais pesadas as coisas se tornarão e mais seu foguete irá resistir aos seus esforços para fazê-lo ir mais rápido. Einstein mostrou que nada que tenha uma massa pode alcançar a velocidade da luz.

Outra consequência da relatividade especial é que matéria e energia são intercambiáveis através da famosa equação E = mc² (na qual E significa energia, m significa massa e c² a velocidade da luz multiplicada por si mesma). Como a velocidade da luz é um número tão grande, mesmo uma pequena quantidade de massa é equivalente a – e pode ser convertida em – uma quantidade muito grande de energia. É por isso que as bombas atómicas e de hidrogénio são tão poderosas.

O que é a relatividade geral?

Essencialmente, é uma teoria da gravidade. A ideia básica é que em vez de ser uma força invisível que atrai objectos uns aos outros, a gravidade é uma curvatura ou deformação do espaço. Quanto mais maciço um objeto, mais ele empena o espaço ao seu redor.

Por exemplo, o sol é maciço o suficiente para empenar o espaço através do nosso sistema solar – um pouco como a forma como uma bola pesada descansando sobre uma folha de borracha empena a folha. Como resultado, a Terra e os outros planetas movem-se em trajetos curvos (órbitas) ao seu redor.

Esta deformação também afeta as medidas do tempo. Nós tendemos a pensar no tempo como se o tempo estivesse se afastando a um ritmo constante. Mas assim como a gravidade pode esticar ou deformar o espaço, ela também pode dilatar o tempo. Se o seu amigo subir ao topo de uma montanha, você verá o relógio dele fazendo tic-tac mais rápido comparado ao seu; outro amigo, no fundo de um vale, terá um relógio mais lento, por causa da diferença na força da gravidade em cada lugar. Experiências subsequentes provaram que isto realmente acontece.

Como é que a relatividade se parece ‘debaixo do capô?’

A relatividade especial é, em última análise, um conjunto de equações que relacionam a forma como as coisas se parecem num quadro de referência com a forma como se parecem noutro – o alongamento do tempo e do espaço, e o aumento da massa. As equações não envolvem nada mais complicado do que matemática do ensino médio.

A relatividade geral é mais complicada. Suas “equações de campo” descrevem a relação entre massa e curvatura do espaço e dilatação do tempo, e são tipicamente ensinadas em cursos de física universitária de nível superior.

Testes de relatividade especial e geral

No século passado, muitas experiências confirmaram a validade tanto da relatividade especial quanto da geral. No primeiro grande teste de relatividade geral, astrônomos em 1919 mediram a deflexão da luz de estrelas distantes enquanto a luz estelar passava pelo nosso sol, provando que a gravidade, de fato, distorce ou curva o espaço.

Em 1971, cientistas testaram ambas as partes da teoria de Einstein colocando precisamente relógios atômicos sincronizados em aviões e pilotando-os ao redor do mundo. Uma verificação dos relógios depois dos aviões pousarem mostrou que os relógios a bordo dos aviões estavam a funcionar um pouco mais devagar (menos de um milionésimo de segundo) do que os relógios no solo.

A disparidade resultou da velocidade dos aviões (um efeito de relatividade especial) e da sua maior distância do centro do campo gravitacional da Terra (um efeito de relatividade geral).

Em 2016, a descoberta das ondas gravitacionais – ondulações sutis no tecido do tempo espacial – foi outra confirmação da relatividade geral.

Relatividade na prática

Embora as idéias por trás da relatividade pareçam esotéricas, a teoria teve um enorme impacto no mundo moderno.

As usinas nucleares e as armas nucleares, por exemplo, seriam impossíveis sem o conhecimento de que a matéria pode ser transformada em energia. E a nossa rede de satélites GPS (sistema de posicionamento global) precisa de ter em conta os efeitos subtis da relatividade tanto especial como geral; se não o fizessem, dariam resultados que se afastariam por vários quilómetros.

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