Você já se perguntou como seria viajar na velocidade da luz? Ou como a gravidade afeta o tempo e o espaço?
Essas são algumas das questões que intrigaram o gênio Albert Einstein, que formulou uma das mais importantes e revolucionárias teorias da física: a teoria da relatividade.
A teoria da relatividade é um conjunto de ideias que descreve como o espaço e o tempo são relativos, ou seja, dependem do movimento e da gravidade dos objetos. Ela também mostra como a massa e a energia são equivalentes, de acordo com a famosa equação
E=mc2 , que significa que a energia de um objeto é igual à sua massa multiplicada pelo quadrado da velocidade da luz.
A teoria da relatividade é dividida em duas partes: a relatividade especial e a relatividade geral.
Relatividade especial: o espaço e o tempo não são absolutos
A relatividade especial foi proposta por Einstein em 1905, e se aplica aos casos em que os objetos se movem com velocidade constante e sem aceleração. Ela afirma que as leis da física são as mesmas para todos os observadores que se movem com a mesma velocidade, e que a velocidade da luz no vácuo é constante e independente do movimento da fonte ou do observador.
Isso significa que o espaço e o tempo não são absolutos, mas dependem do referencial do observador. Por exemplo, se você estivesse em um trem em movimento e observasse um relógio dentro do trem, ele marcaria o tempo normalmente. Mas se alguém observasse o mesmo relógio de fora do trem, ele veria que ele está atrasado em relação ao seu próprio relógio. Isso é chamado de dilatação do tempo, e significa que quanto mais rápido um objeto se move, mais lento o tempo passa para ele.
Outro fenômeno previsto pela relatividade especial é a contração do comprimento, que significa que quanto mais rápido um objeto se move, mais curto ele fica na direção do movimento. Por exemplo, se você medisse o comprimento de um trem em repouso, ele teria um valor fixo. Mas se você medisse o mesmo trem em movimento, ele teria um valor menor. Isso só seria perceptível se o trem se movesse muito próximo da velocidade da luz.
Um terceiro fenômeno é o aumento da massa dos objetos que se aproximam da velocidade da luz. Isso significa que quanto mais energia um objeto ganha ao se mover, mais massa ele adquire. Por exemplo, se você empurrasse uma bola de futebol com uma força constante, ela aceleraria até atingir uma certa velocidade máxima. Mas se você empurrasse um elétron com a mesma força, ele aceleraria até quase alcançar a velocidade da luz, mas nunca chegaria lá, pois sua massa aumentaria tanto que seria impossível acelerá-lo mais.
Esses fenômenos podem parecer estranhos e contraditórios com a nossa experiência cotidiana, mas eles foram confirmados por vários experimentos científicos e têm aplicações práticas na tecnologia. Por exemplo, os satélites de GPS precisam levar em conta a dilatação do tempo e a contração do comprimento para funcionar corretamente. Além disso, os aceleradores de partículas usam o aumento da massa dos elétrons para produzir altas energias e estudar as propriedades da matéria.
Relatividade geral: a gravidade é uma consequência da curvatura do espaço-tempo
A relatividade geral foi desenvolvida por Einstein entre 1907 e 1915, e se aplica aos casos em que os objetos se movem com aceleração ou estão sob a influência da gravidade. Ela afirma que a gravidade não é uma força, mas uma consequência da curvatura do espaço-tempo causada pela presença de massa.
Isso significa que o espaço-tempo é como um tecido elástico que se deforma quando um objeto pesado é colocado sobre ele. Por exemplo, se você colocasse uma bola de boliche sobre um lençol esticado, ele afundaria e criaria uma depressão no tecido. Se você colocasse uma bola de tênis sobre o mesmo lençol, ela rolaria em direção à bola de boliche, pois seguiria a curvatura do tecido. Isso é análogo ao que acontece com a gravidade: os objetos com massa curvam o espaço-tempo ao seu redor, e os objetos menores são atraídos por essa curvatura.
Um dos fenômenos previstos pela relatividade geral é a deflexão da luz pela gravidade, que significa que a luz também segue a curvatura do espaço-tempo e pode ser desviada por objetos massivos. Por exemplo, se você observasse uma estrela distante que estivesse atrás do Sol, você veria que a sua posição aparente é diferente da sua posição real, pois a luz da estrela é curvada pelo campo gravitacional do Sol. Isso foi observado pela primeira vez durante um eclipse solar em 1919, e confirmou a teoria de Einstein.
Outro fenômeno é o desvio para o vermelho gravitacional, que significa que a frequência da luz muda quando ela sobe ou desce um campo gravitacional. Por exemplo, se você emitisse um sinal de rádio de uma nave espacial em órbita da Terra, ele teria uma frequência mais alta do que se você o emitisse da superfície da Terra, pois a nave está em um lugar menos curvado do espaço-tempo. Isso também foi comprovado por experimentos e tem implicações na astronomia e na cosmologia.
Um terceiro fenômeno são as ondas gravitacionais, que são ondulações no espaço-tempo causadas por objetos acelerados com massa. Por exemplo, se duas estrelas de nêutrons ou dois buracos negros se fundissem em um sistema binário, eles emitiriam ondas gravitacionais que se propagariam pelo universo. Essas ondas foram detectadas pela primeira vez em 2015 pelo observatório LIGO, e abriram uma nova janela para o estudo dos fenômenos mais extremos do cosmos.
Um quarto fenômeno são os buracos negros, que são regiões do espaço-tempo onde a curvatura é tão intensa que nada pode escapar de sua atração, nem mesmo a luz. Eles são formados pelo colapso de estrelas muito massivas ou pela fusão de outros buracos negros. Eles têm propriedades misteriosas e paradoxais, como o horizonte de eventos, a singularidade e o paradoxo da informação.
A teoria da relatividade de Einstein é uma das maiores conquistas da humanidade, pois revelou aspectos surpreendentes e fascinantes da natureza. Ela também tem implicações filosóficas e éticas, pois nos faz questionar o nosso lugar no universo e o nosso papel como seres racionais. Ela ainda não é uma teoria completa, pois não é compatível com a mecânica quântica, que descreve o comportamento das partículas subatômicas. Por isso, os físicos buscam uma teoria unificada que possa explicar todos os fenômenos observados.
