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O que diz a tal Física
Moderna
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 idéia 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.
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 velocidade V + 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 conseqüências 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.)
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.
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