Qual é a teoria da relatividade especial?

Quando se trata da percepção humana do espaço e do tempo, temos uma abordagem bastante direta. Nossa compreensão do espaço é tridimensional, enquanto nosso conceito de tempo é muito linear. No entanto, e se eu lhe dissesse que o tempo e o espaço não se comportam da mesma maneira em todas as situações quando consideramos a física de objetos de altíssima velocidade. Basicamente, a teoria da relatividade especial estabelece a relação entre espaço e tempo para problemas que a física clássica (física newtoniana) não consegue entender ou explicar.

Os postulados

Toda a premissa sobre a qual a relatividade especial é construída consiste em dois postulados simples:

1. As leis da física se baseiam em quadros de referência não acelerados.
2. A velocidade da luz no vácuo permanece constante para todos os observadores.

A razão pela qual esses postulados foram enquadrados foi que Einstein encontrou uma inconsistência quando tentou aplicar a Mecânica Newtoniana às equações de eletromagnetismo de Maxwell. Isso levou Einstein a acreditar que a Mecânica Newtoniana não funcionava de acordo com as Equações de Eletromagnetismo de Maxwell. No entanto, não era possível que a velocidade do tempo fosse uma variável, como foi rigorosamente analisada e experimentada por numerosos cientistas. Embora a física newtoniana fosse altamente instrumental quando se tratava de cálculos cotidianos, eles falharam miseravelmente quando consideraram a física de alta velocidade (física à velocidade da luz).

A Fundação Matemática

O engraçado sobre a teoria da relatividade especial era que a matemática necessária para isso havia sido inventada antes da própria teoria! Albert Einstein passou por muitas ferramentas matemáticas antes de finalmente se decidir sobre a estrutura matemática de Hendrik Lorentz. Hendrik Lorentz foi um físico holandês que inventou a transformação de Lorentz, que ajudou a acomodar a noção de que múltiplas estruturas de referência podem ser calculadas simultaneamente (a base sobre a qual a teoria da relatividade especial foi escrita). Usando as infames equações de Lorentz Transformation, Albert Einstein publicou o artigo científico “Sobre a eletrodinâmica de corpos móveis”, que hoje conhecemos como a Teoria Especial da Relatividade. As equações são as seguintes:

Fenômenos Explicados pela Relatividade Especial

Os cenários de casos em que a teoria especial entra em ação podem ser comprovados através da transformação de Lorentz. Casos especiais em que os cálculos físicos devem ser realizados em velocidades próximas à velocidade da luz são onde a relatividade especial vem à tona.

A primeira situação que vamos discutir é a relatividade da simultaneidade. É quando dois eventos parecem ocorrer simultaneamente em dois locais diferentes no referencial de um observador, mas também podem aparecer não simultaneamente no quadro de outro observador. Para dar um exemplo, vamos considerar um homem parado em uma plataforma móvel. Existem duas fontes de luz equidistantes dele. Agora, deixe outro homem estar presente em um quadro de referência diferente do homem na plataforma. Quer a plataforma se mova em relação ao homem ou o contrário, ambos os observadores não relatam o mesmo tempo das fontes de luz piscando! O homem no trem sempre relata que ambos os feixes de luz são produzidos simultaneamente, mas o homem que observa da plataforma relata que um raio de luz é mais rápido do que o outro (o mais próximo dele). Como isso pode ser e quem está errado?

A resposta a essa pergunta é que nenhum dos observadores está errado. Os dois observadores discordam sobre o momento do evento e a sincronia com a qual os eventos ocorrem. Isso ocorre porque ambos os observadores vêem o mesmo evento de diferentes orientações espaciais para o movimento relativo do evento que ocorre. Portanto, a ocorrência do mesmo evento aparece de forma diferente para observadores diferentes devido ao movimento relativo sendo observado separadamente. Esta é a relatividade da simultaneidade.

A segunda situação em que esta teoria entra em jogo é a  contração do comprimento . Este é um fenômeno muito surpreendente, argumentando que a medição de um objeto por um observador pode ser muito diferente da de outro observador. A maneira mais simples de explicar isso é com outro exemplo de “plataforma móvel”. Se você estivesse em pé na Terra e uma nave espacial passasse acima de você a 10% da velocidade da luz, você seria capaz de ver a espaçonave e anotar seu comprimento. Agora, se você viu a mesma espaçonave passar uma segunda vez a 85% da velocidade da luz, você veria uma espaçonave significativamente mais curta. Com 99% da velocidade da luz, você provavelmente não veria nada além de uma linha.

Um dos pontos finais que abordaremos é a causalidade e a proibição do movimento mais rapidamente que a velocidade da luz. Este é, de longe, o princípio mais interessante que podemos deduzir da teoria da relatividade especial. O significado de causalidade na física clássica implica que nenhuma ação pode ocorrer antes de sua causa. Na teoria da relatividade especial de Einstein, a causalidade significa que um efeito não pode ocorrer a partir de uma causa que não esteja no cone de luz (passado) desse evento.

Um cone de luz é o caminho que um lampejo de luz leva quando emana de um único ponto no espaço e viaja em todas as direções do espaço-tempo. Se você imaginar que o evento atual (ou o momento presente) seja um horizonte plano, então a luz se espalha como um círculo crescente de eventos, resultando em um cone. Este cone de luz que é formado é conhecido como o futuro cone de luz. Este cone de luz é uma representação matemática de todos os eventos futuros que ocorrerão após o horizonte de eventos. O inverso deste futuro cone de luz é o que chamamos de cone de luz do passado. Se alguma coisa cruzasse a velocidade da luz, numerosos paradoxos começariam a ocorrer. Uma hipótese famosa é que, se alguém viajasse mais rápido que a velocidade da luz, há uma grande chance de que, em vez de ir para o futuro cone de luz, alguém seria capaz de quebrar a barreira do espaço-tempo e passar para o cone de luz do passado. Portanto, a maioria dos cientistas acredita que será mais fácil viajar para o futuro do que para o passado.

Existem outros fenômenos que podem ser explicados com a ajuda da teoria da relatividade especial, como a dilatação do tempo, a composição de velocidades e certos efeitos ópticos. Pode ter demorado algum tempo para o público entender ou aceitar as postulações selvagens de Einstein, mas com o tempo, descobrimos que suas teorias científicas – e sua reputação de nível genial – continuam a ser apoiadas e validadas!

Referências:

1. Universidade de Pittsburgh
2. Cone de luz
3. Transformação de Lorentz