O ANO MIRACULOSO

Mário Martins

(https://www.almedina.net/autor/john-s-rigden-1564162794)

“O artigo da relatividade (restrita) de Einstein não tem paralelo na história da ciência, na sua profundidade, amplitude e puro virtuosismo intelectual.“

Arthur I. Miller, professor americano de história e filosofia da ciência

No seu livro “Sete breves lições de Física”, abordado em artigos anteriores na Periscópio, o físico italiano Carlo Rovelli, como que a servir um saboroso aperitivo antes de apresentar o prato forte (a teoria da relatividade geral publicada por Einstein em 1915), escreve que dez anos antes, em 1905, Einstein enviara três artigos à principal revista científica da época, e que qualquer um dos três valia um Prémio Nobel. O primeiro mostrava que o átomos existem, o segundo abria a porta para a mecânica quântica, e o terceiro apresentava a sua primeira teoria da relatividade (hoje chamada “relatividade restrita”).

De facto, nesse ano geralmente qualificado como miraculoso, melhor dizendo, no curto espaço de seis meses desse ano, Einstein deu à estampa além desses três mais dois artigos, todos concluídos entre Março e Setembro. Um deles forneceu uma maneira de determinar as dimensões moleculares num líquido, e constituiu a tese de doutoramento de Einstein. O outro é o da equação mais famosa: E = mc2.

Baseando-nos no livro em epígrafe do físico americano John S. Rigden (que transcrevemos sem grandes intromissões de leigo), comecemos pelo 4º. artigo, publicado em Junho, que é o mais conhecido, mas também o de mais difícil compreensão porque violador do que chamamos senso comum, que é o da teoria da relatividade especial ou restrita (restrita porque descreve a física do movimento na ausência de campos gravitacionais), ao qual Einstein deu o título “Sobre a Electrodinâmica dos Corpos em Movimento”.

TEORIA DA RELATIVIDADE (ESPECIAL OU RESTRITA)

À maneira típica de Einstein (concisa e sem fraseados desnecessários), o artigo abre com a exposição de uma contradição aparente: “É bem sabido que a electrodinâmica de Maxwell – como é geralmente compreendida actualmente – quando aplicada aos corpos moventes, leva a assimetrias que não parecem inerentes ao fenómeno”.

A seguir, no desenvolvimento do seu artigo, resolve a contradição com o estabelecimento de dois princípios:

O Princípio da Relatividade – As leis da física são as mesmas em todos os sistemas de referência inerciais ou, através de experiências físicas, um sistema de coordenadas inercial não pode ser distinguido de um outro sistema de coordenadas inercial.

(Um sistema de referência ou de coordenadas inercial é definido pela Primeira Lei do Movimento de Newton, que equipara o repouso e o movimento uniforme, que é movimento numa linha recta a uma velocidade constante);

O Princípio da Constância da Velocidade da Luz – A velocidade da luz é a mesma em todos os sistemas de referência inerciais, independentemente das velocidades quer da origem da luz, quer do detector da luz.

Destes princípios extraem-se consequências que revolucionaram a física.

Considere-se, por exemplo, uma chávena com café, imóvel numa casa. A casa é um sistema de coordenadas inercial que está em repouso relativamente à Terra. Uma segunda chávena com café está na bandeja de um passageiro num avião, voando à velocidade constante de 934 km/h. em atmosfera calma. O avião é um sistema de coordenadas inercial que se move a uma velocidade constante em relação à Terra. A Primeira Lei do Movimento de Newton diz que não há maneira de olhar para as duas chávenas de café, cada uma no seu respectivo sistema de coordenadas inercial, e decidir qual está em repouso e qual está em movimento.

Porque não há maneira experimental de distinguir entre sistemas de coordenadas inerciais em repouso e em movimento uniforme, da mecânica newtoniana extraiu-se um princípio, chamado princípio da relatividade, que simplesmente exprimia o facto de todos os sistemas de coordenadas inerciais serem equivalentes. Os sistemas de coordenadas inerciais ocupam o centro do palco na teoria especial da relatividade de Einstein.

Por outro lado acreditava-se, até aos inícios do século XX, que tal como uma onda sonora requer um meio de propagação (o ar em geral), as ondas luminosas necessitavam de um meio a que chamaram éter, o qual, logicamente, teria de estar distribuído por todo o universo. O problema é que todas as experiências efectuadas para o encontrar falharam. Einstein afirma que, em termos de física, a ideia de repouso absoluto não tem sentido. Com essa declaração liberta a física do éter, torna o éter, em repouso absoluto, “supérfluo”.

O comprimento é relativo. Uma viga de aço cuja medição dá três metros de comprimento para um observador que esteja ao seu lado (em repouso relativamente à viga) tem menos de três metros na medição de um observador que a veja a passar por si. Por exemplo, se uma viga de aço de três metros se desloca a uma velocidade igual a 10% da velocidade da luz, perto de 30.000 km/s, contrai-se em 1,5 cm; a metade da velocidade da luz, cerca de 150.000 km/s, contrai-se 40,9 cm. Como é evidente, o tamanho da contracção só se torna significativo para velocidades próximas da velocidade da luz. À velocidade da luz, a contracção é de 100%. A velocidades maiores do que a velocidade da luz, o comprimento da viga tornar-se-ia negativo. Visto que um comprimento negativo não faz qualquer sentido, Einstein declara que a velocidade da luz é o limite da velocidade da Natureza. Nada se pode mover mais depressa do que a luz.

Por sua vez, o tempo é também relativo. Nas palavras de Einstein, o tempo não está absolutamente definido, mas há uma ligação inseparável entre o tempo e a velocidade do sinal. O entendimento comum da simultaneidade era fundamentalmente defeituoso. Pressupunha-se que se uma pessoa observa que dois acontecimentos são simultâneos, todos os outros observadores concordarão que são simultâneos. Einstein percebeu essa falácia, e logo que a inspiração chegou, todas as peças se ajustaram num todo lógico.

Se pusermos em movimento um sistema de coordenadas inercial, juntamente com o relógio respectivo, quando este for visto em movimento a partir do sistema em repouso, estará atrasado em relação ao relógio em repouso. Os relógios medem o tempo, e os relógios em trânsito perdem tempo relativamente aos relógios em repouso (isso foi verificado levando um relógio atómico num voo à volta do mundo e comparando-o no regresso ao relógio que ficou imóvel). Os relógios têm muitos feitios e formas. Uma pessoa é um relógio. O ritmo metabólico de um indivíduo, tal como um relógio de pulso, marca o tempo e anuncia a aproximação da hora do almoço. Uma espécie de relógio interno regula o processo de envelhecimento. Tudo isto para dizer que se uma mãe tivesse de sair de casa numa longa viagem, a uma alta velocidade inimaginável, os seus relógios internos abrandariam em relação ao que deixou para trás, e a mãe poderia regressar mais jovem do que o seu filho que ficou em casa.

A teoria da relatividade de Einstein revelou coisas estranhas sobre a Natureza, (tal como a vemos)…