A teoria da relatividade especial, publicada em 1905 por Einstein e uma importante generalização de várias hipóteses anteriores, é uma das mais ressonantes e discutidas na física.
De fato, é difícil imaginar que quando um objeto se move a uma velocidade próxima à da luz, os processos físicos começam a proceder para ele de uma maneira completamente incomum: seu comprimento diminui, sua massa aumenta e o tempo diminui. Imediatamente após a publicação, começaram as tentativas de desacreditar a teoria, que continua até hoje, embora mais de cem anos tenham se passado. Isso não é surpreendente, porque a questão do que é o tempo há muito preocupa a humanidade e atrai a atenção de todos.
O que é relativismo
A essência da mecânica relativística (é também a teoria da relatividade especial, doravante referida como TRS) e sua diferença da mecânica clássica é vividamente expressa pela tradução direta de seu nome: latim relativus significa "relativo". O SRT postula a inevitabilidade da dilatação do tempo para um objeto à medida que ele se move em relação a um observador.
A diferençadessa teoria, proposta por Albert Einstein, da mecânica newtoniana e reside no fato de que todos os processos em andamento só podem ser considerados relativos uns aos outros ou a algum observador externo. Antes de descrever o que é a dilatação do tempo relativística, é necessário aprofundar um pouco a questão da formação da teoria e determinar por que sua formulação se tornou possível e até mesmo obrigatória.
As Origens da Relatividade
No final do século 19, os cientistas perceberam que alguns dados experimentais não se encaixam na imagem do mundo baseada na mecânica clássica.
As contradições fundamentais resultaram em tentativas de combinar a mecânica de Newton com as equações de Maxwell que descrevem o movimento das ondas eletromagnéticas no vácuo e em meios contínuos. Já se sabia que a luz é apenas uma onda, e deve ser considerada dentro da estrutura da eletrodinâmica, mas era extremamente problemático argumentar com a mecânica visual e, mais importante, testada pelo tempo.
A contradição, no entanto, era óbvia. Suponha que uma lanterna seja fixada na frente de um trem em movimento, que brilha para a frente. Segundo Newton, as velocidades do trem e a luz que vem da lanterna devem se somar. As equações de Maxwell nesta situação hipotética simplesmente "quebraram". Era necessária uma abordagem totalmente nova.
Relatividade Especial
Seria incorreto acreditar que Einstein inventou a teoria da relatividade. Na verdade, ele se voltou para os trabalhos e hipóteses de cientistas que trabalharam antes dele. No entanto, o autor abordoupor outro lado e em vez da mecânica de Newton reconheceu as equações de Maxwell como "a priori corretas".
Além do famoso princípio da relatividade (na verdade, formulado por Galileu, porém, no âmbito da mecânica clássica), essa abordagem levou Einstein a uma afirmação interessante: a velocidade da luz é constante em todos os referenciais de referência. E é esta conclusão que nos permite falar sobre a possibilidade de alterar os padrões de tempo quando o objeto se move.
Constância da velocidade da luz
Parece que a afirmação "a velocidade da luz é constante" não é surpreendente. Mas tente imaginar que você está parado e observando a luz se afastar de você a uma velocidade fixa. Você segue o feixe, mas ele continua se afastando de você exatamente na mesma velocidade. Além disso, virando-se e voando na direção oposta do feixe, você não alterará a velocidade da distância um do outro de forma alguma!
Como isso é possível? Aqui começa a conversa sobre o efeito relativista da dilatação do tempo. Interessante? Então continue lendo!
Dilatação do tempo relativística de acordo com Einstein
Quando a velocidade de um objeto se aproxima da velocidade da luz, o tempo interno do objeto é calculado para desacelerar. Se assumirmos que uma pessoa se move paralelamente ao raio de sol com uma velocidade semelhante, o tempo para ela parará de correr. Existe uma fórmula para a dilatação do tempo relativística, refletindo sua relação com a velocidade de um objeto.
No entanto, ao estudar esta questão, deve-se lembrar que nenhum corpo com massa pode, mesmo teoricamente, atingir a velocidade da luz.
Paradoxos relacionados à teoria
A relatividade especial é um trabalho científico e não é fácil de entender. No entanto, o interesse público na questão do que é o tempo regularmente dá origem a ideias que no nível cotidiano parecem ser paradoxos insolúveis. Por exemplo, o exemplo a seguir confunde a maioria das pessoas que são apresentadas ao SRT sem nenhum conhecimento de física.
Existem dois aviões, um dos quais voa em linha reta, e o segundo decola e, tendo descrito um arco a uma velocidade próxima à velocidade da luz, alcança o primeiro. Previsivelmente, acontece que o tempo para o segundo aparelho (que voou quase à velocidade da luz) passou mais devagar do que para o primeiro. No entanto, de acordo com o postulado do SRT, os referenciais para ambas as aeronaves são iguais. Isso significa que o tempo pode passar mais devagar tanto para um quanto para o outro dispositivo. Parece que este é um beco sem saída. Mas…
Resolvendo paradoxos
Na verdade, a fonte desse tipo de paradoxo é um mal-entendido do mecanismo da teoria. Essa contradição pode ser resolvida usando um experimento especulativo bem conhecido.
Temos um galpão com duas portas formando uma passagem e um poste um pouco maior que o comprimento do galpão. Se esticarmos o poste de porta em porta, eles não poderão fechar ou simplesmente quebrarão nosso poste. Se o poste, voando para o celeiro,terá uma velocidade próxima à velocidade da luz, seu comprimento diminuirá (lembre-se: um objeto se movendo na velocidade da luz terá um comprimento igual a zero), e no momento em que estiver dentro do celeiro, podemos fechar e abrir o portas sem quebrar nossos adereços.
Por outro lado, como no exemplo do avião, é o celeiro que deve diminuir em relação ao poste. O paradoxo é repetido e, ao que parece, não há saída - ambos os objetos são sincronicamente reduzidos em comprimento. No entanto, lembre-se de que tudo é relativo e resolva o problema alterando o tempo.
Relatividade da Simultaneidade
Quando a borda frontal do poste estiver dentro, na frente da porta da frente, podemos fechá-la e abri-la, e no momento em que o poste entrar completamente no galpão, faremos o mesmo com a parte de trás porta. Parece que não estamos fazendo isso ao mesmo tempo, e o experimento falhou, mas aqui o principal acontece: de acordo com a teoria da relatividade especial, os momentos de fechamento de ambas as portas estão localizados no mesmo ponto da eixo do tempo.
Isso acontece porque eventos que ocorrem simultaneamente em um referencial não serão simultâneos em outro. A dilatação relativística do tempo se manifesta na relação dos objetos, e voltamos à generalização absolutamente cotidiana da teoria de Einstein: tudo é relativo.
Há mais um detalhe: a igualdade de sistemas de referência é relevante em SRT, quando ambos os objetos se movem de maneira uniforme e retilínea. Assim que um dos corpos começa a acelerar ou desacelerar, seu referencial torna-se únicopossível.
Paradoxo Gêmeo
O paradoxo mais famoso que explica a dilatação do tempo relativista "de uma maneira simples" é um experimento mental com dois irmãos gêmeos. Um deles voa em uma nave espacial a uma velocidade próxima à velocidade da luz, enquanto o outro permanece no solo. Ao retornar, o irmão astronauta descobre que ele próprio envelheceu 10 anos, e seu irmão, que ficou em casa, tem até 20.
O quadro geral já deve estar claro para o leitor a partir das explicações anteriores: para o irmão na espaçonave, o tempo desacelera porque sua velocidade está próxima da velocidade da luz; não podemos aceitar o quadro de referência relativo ao irmão em terra, pois ele se revelará não inercial (apenas um irmão experimenta sobrecargas).
Gostaria de observar outra coisa: não importa o grau que os oponentes alcancem na disputa, o fato permanece: o tempo em seu valor absoluto permanece constante. Não importa quantos anos um irmão voe em uma nave espacial, ele continuará envelhecendo exatamente na mesma proporção que o tempo passa em seu quadro de referência, e o segundo irmão envelhecerá exatamente na mesma proporção - a diferença será revelada apenas quando eles se encontram, e não em qualquer outro caso.
Dilatação do tempo de gravidade
Em conclusão, deve-se notar que existe um segundo tipo de dilatação do tempo, já associado à teoria geral da relatividade.
Mesmo no século 18, Mitchell previu a existência do vermelhodeslocamento, o que significa que quando um objeto se move entre áreas com gravidade forte e fraca, o tempo para isso mudará. Apesar das tentativas de Laplace e Zoldner de estudar o assunto, apenas Einstein apresentou um trabalho completo sobre o tema em 1911.
Este efeito não é menos interessante que a dilatação do tempo relativístico, mas requer um estudo à parte. E isso, como dizem, é uma história completamente diferente.
