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sábado, 27 de abril de 2013

A RELATIVIDADE DE EINSTEIN

Albert Einstein, o maior cientista do século passado, definiu as bases das duas principais teorias da atualidade: a relatividade geral e a mecânica quântica. Nascido na Alemanha em 1879, sua família mudara-se para Munique um ano depois, onde o seu pai Hermann e seu tio Jakob criaram um pequeno negócio. Einstein não demonstrara suas habilidades de gênio quando estudava, mas não podemos afirmar que suas notas eram ruins.
No ano de 1894, a família de Einstein se mudou para a Itália, e poucos meses depois, Albert foi junto, não suportando o autoritarismo escolar. Anos mais tarde, concluiu seus estudos em Zurique, na Suíça, e fez graduação na Escola Politécnica Federal no ano de 1900.
Em 1902, Einstein conseguiu um cargo num escritório de patentes na Suíça. Em 1905, ainda nesse posto, ele escreveu três artigos que lhe renderam o status como um dos principais cientistas do mundo, iniciando uma revolução, que alterou completamente nossa compreensão do espaço e tempo, e da própria realidade.
Antes do início do século XX, toda a comunidade científica imaginava-se próxima de uma descrição completa da natureza. Os cientistas acreditavam que o espaço estava coberto por meio contínuo chamado éter. A luz era uma onda nesse éter, e assim como o som, consistia em ondas de pressão no ar. Para entender todo o universo naquela época, era preciso medir as propriedades elásticas do éter. Acreditava-se que a luz se propagaria pelo éter com uma velocidade fixa, mas que se um observador viajava pelo éter na mesma direção que a luz, a velocidade desta lhe pareceria menor, e se viajava em direção oposta a da luz, sua velocidade lhe pareceria maior.
Contudo, experimentos posteriormente realizados não batiam com essa teoria. A velocidade da luz não muda mesmo para observadores diferentes, não importando sua respectiva velocidade e direção.
Einstein, em um artigo em 1905, afirmou que as leis da ciência são as mesmas para todos os observadores. Qualquer observador no universo deveria medir a mesma velocidade da luz, independente de sua velocidade. Ou seja: a velocidade da luz é independente do movimento do observador e tem o mesmo valor em todas direções, contrariando aquilo que se acreditava até então.

Albert Einstein também afirmou naquele artigo que não existe um tempo universal, que todos os relógios em todo o universo medem o mesmo horário. Cada observador possui seu próprio tempo. O tempo de duas pessoas coincidiria somente caso elas tivessem na mesma velocidade desde que nasceram, ou seja, caso uma esteja em movimento em relação à outra, o tempo de uma delas passa a ser diferente. Essa ideia foi confirmada por diversos experimentos realizados ao longo do século. Relógios já foram colocados em órbita e quando voltaram, indicavam um tempo ligeiramente diferente daquele que se marcava aqui na Terra.

A ideia de Einstein de que as leis físicas deveriam ser as mesmas para todos os observadores é uma das bases da Teoria da Relatividade, assim denominada por que somente importa o movimento relativo. Uma teoria assustadoramente simples, que gerou muitas críticas quando lançada, afinal de contas, ele tinha destruído uma boa parte da física até então. Tudo é relativo, mas muitos pesquisadores gastaram boa parte de sua carreira tentando provar que a teoria de Einstein estava errada, sem sucesso.
Agora vamos nos aprofundar um pouco mais na teoria que revolucionou o mundo. Massa e energia estão intimamente relacionados. Quando Einstein afirmou que a velocidade da luz é a mesma para qualquer observador implica que nada pode ser mover mais rápido que ela. Isso porque precisamos de energia para acelerar algo (não importa se seja um átomo um foguete). Quando algo é acelerado, sua massa aumenta, tornando sua aceleração algo mais difícil. Acelerar algo até a velocidade da luz seria impossível pois exigiria uma quantidade infinita de energia, algo que nem o universo inteiro possui  Massa e energia são equivalentes.
A Teoria da Relatividade funcionava perfeitamente com as leis da eletricidade e do magnetismo, mas não era compatível com a teoria de Newton da gravitação. As teorias de Newton permitiam uma velocidade superior à da luz e previa um tempo absoluto universal, algo expressamente proibido pela relatividade.
E Einstein sabia disso, mas não deu tanta importância até 1911. Ele notou que há uma grande relação entre aceleração e um campo gravitacional. Se a Terra fosse plana, tanto poderíamos dizer que a maçã caiu sobre a cabeça de Newton por causa da gravidade quanto dizer que Newton e a superfície de toda a Terra estava acelerando para cima. Mas isso não parecia funcionar para um planeta esférico…
Foi então que em 1912 Einstein teve uma brilhante ideia no qual dizia que a equivalência valeria caso a geometria do espaço-tempo fosse curva ao invés de plana, como se imaginava até então. Ele afirmou que massa e energia podem deformar o espaço-tempo. Objetos como maçãs ou planetas se movem em linhas retas pelo espaço-tempo, mas suas trajetórias são curvadas por um campo gravitacional porque o espaço-tempo é curvo.
Einstein era humano, e portanto falível, e por causa de um engano seu, não estava conseguindo encontrar uma equação que relacionava a curvatura do espaço-tempo com seu conteúdo de massa e energia. Em 1915, a resposta para o problema estava resolvida.
Naquele ano, Einstein lançara ao mundo a Teoria da Relatividade Geral, para distinguir a da teoria original (sem a gravidade envolvida – que ficou conhecida como relatividade espacial). A teoria foi provada em 1919 durante um eclipse, quando a luz proveniente de uma estrela, ao passar perto do Sol, teve sua trajetória curvada, provando a teoria de Einstein que espaço e tempo podem ser deformados.
Na Teoria da Relatividade Geral, o espaço e o tempo deixaram de ser passivos, e passaram a atuar na dinâmica do universo. Mas aí haviam problemas…
O universo possui muita matéria, que deforma o espaço-tempo fazendo com que os corpos se atraiam. O cientista acreditava que suas equações não permitiam nenhuma solução que descrevesse um universo estático, invariável no tempo. Ele modificou algumas equações e adicionou a denominada constante cosmológica, que curvava o espaço-tempo no sentido oposto, fazendo os corpos se repelirem. O efeito repulsivo da constante poderia cancelar o efeito atrativo da matéria, e permitir um universo estático.
Observações na década seguinte mostraram que quanto mais longe estão localizadas outras galáxias, mais rápido elas se afastam de nós. Foi descoberto que o universo estava se expandindo, e a distância entre duas galáxias aumenta com o tempo. Isso eliminava a necessidade de uma constante cosmológica que proporcionava uma solução estática para o universo. Anos mais tarde, Einstein afirmou que a constante cosmológica havia sido o maior erro de sua vida – mas nem quando ele próprio achava que estava errado, ele estava certo (e isso é o que veremos no terceiro artigo da série). Existe de fato uma constante cosmológica, prevista novamente através de observações nos anos 90.
Einstein acreditava que o universo sempre existiu, portanto nunca fora criado ou nunca teria um fim. Mas as galáxias estavam se separando, implicando que um dia estiveram mais juntas, e voltando ainda mais no passado, estavam todas num lugar só, comprimidas num único ponto, que hoje sabemos que foi infinitamente quente e denso (singularidade).

Einstein não gostava da ideia do Big Bang. A grande densidade nos primórdios do universo fez com que surgissem elementos que podemos observar pelo espaço. Através da radiação cósmica de fundo, proveniente do Big Bang e observada hoje, implica que a densidade chegou à um trilhão de trilhões de trilhões de trilhões de trilhões de trilhões (1 seguido de 72 zeros) de toneladas por centímetro cúbico.
Embora Einstein não acreditasse muito nisso (ele próprio definia singularidade como sujeira varrida para debaixo do tapete), a Teoria da Relatividade Geral previa isso. O espaço e o tempo tiveram um começo.
A relatividade geral afirma que o tempo deixa de existir no interior dos buracos negros, onde existe uma singularidade proveniente do colapso de uma estrela. Contudo, o começo ou término do tempo não é tão definido assim pela relatividade geral, e a teoria da Einstein não explicava o que conduziria à uma grande explosão. A origem do universo continua sendo um mistério, conforme abordaremos mais adiante.
A relatividade geral não funciona no Big Bang por causa de sua incompatibilidade com a mecânica quântica, outra grande teoria do século passado, que o próprio Einstein ajudou a construir através do efeito fotoelétrico.
Einstein estava trabalhando nas teorias quânticas até se intrigar com um experimento de Werner Heisenberg em Copenhagen. Heisenberg afirmava que é impossível saber com precisão todas as propriedades de uma partícula. Por exemplo, se sabemos sua posição exata, é impossível determinar sua velocidade, e vice-versa. Essa é uma das esquisitices da física quântica. Einstein não se conformava com essa imprevisibilidade e jamais aceitou completamente a mecânica quântica. Foi nessa época que ele eternizou a frase “Deus não joga dados”. Contudo, essas bizarras leis quânticas explicavam alguns fenômenos que eram tidos como mistérios até então.


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