Teoria da Relatividade, o que é?

A teoria da relatividade diz respeito a duas teorias distintas: a teoria da relatividade especial (TER) e a teoria da relatividade geral (TRG). Essas teorias foram criadas pelo físico Albert Einstein em 1905 e apesar de serem fascinantes são pouco compreendidas. Albert Einstein afirmou que tempo e espaço são relativos e estão profundamente entrelaçados. Parece complicado? Bem, a ideia é sofisticada, mas, ao contrário do que se pensa, a relatividade não é nenhum bicho-de-sete-cabeças. A explicação de forma fácil dessas teorias é o objetivo deste artigo.

Relatividade Especial

A teoria da relatividade especial (ou restrita) foi publicada em 1905 pelo físico Albert Einstein e foi a solução para um dos três maiores conflitos da física. O conflito diz respeito às propriedades da luz e seu comportamento. A física de Newton afirma que é possível ficar lado a lado com um raio de luz se o observador estiver na velocidade da luz, vendo-o parado, ao contrário do que diz os estudos sobre o eletro magnetismo desenvolvido por Maxwell. Eis o primeiro conflito, que foi resolvido por Einstein. A teoria da relatividade especial se apóia principalmente em dois pilares. O primeiro pilar são as leis da física que dizem respeito às propriedades da luz e seu movimento, enquanto o segundo é conhecido como princípio da relatividade.

O princípio da relatividade nos diz que: ao se falar das velocidades e posições de objetos precisamos especificar a velocidade e posição do(s) observador (es). A primeira vista essa afirmação parece pura perda de tempo, mas na verdade o princípio da relatividade nos diz exatamente isso, o movimento depende do ponto de vista do observador. Por exemplo: uma pessoa em um traje espacial que se move a velocidade constante sente-se estacionária. Ao cruzar com outra pessoa, acha que está parado e a pessoa que está se movendo. O mesmo vale para a outra pessoa, que se sente estacionária no caso de estar com velocidade constante. Agora você deve estar se perguntando qual dos dois está correto. Na verdade ambos estão corretos em relação a seu movimento. Mesmo que para cada um, o outro esteja em movimento seus pontos de vista são válidos. Podemos concluir então que o movimento depende apenas do observador escolhido, ou seja, o movimento é relativo. 

O segundo componente da relatividade especial tem a ver com a luz e seu movimento. O princípio da relatividade nos diz que o movimento só faz sentido se estiver sendo feito em relação a um observador. A frase "João viaja a dez quilômetros por hora" só faz sentido se houver um observador. Mas o contrário acontece com a luz. A luz se move a exatos 299.792.458 m/s independente do observador ou da situação.

  Einstein acaba com a idéia de tempo e espaço absolutos. Além disso, Einstein considera também o espaço como uma entidade geométrica, tão fundamental quanto o espaço. Na teoria da relatividade especial o tempo e espaço não são coisas distintas são na verdade uma só, uma nova dimensão chamada de Tempo-espaço. Ao considerarmos uma nova dimensão que une tempo e espaço temos que analisar a questão do movimento nele. Imaginemos um fóton que se move a velocidade da luz em relação a um observador dito estacionário. Este fóton estaria viajando a 299.792.458m/s e se moveria somente pelo espaço, pois estaria usando a totalidade de seu movimento para alcançar a velocidade da luz, que é o limite. Por esse motivo o fóton não envelhece, já que não viaja pelo tempo, pois todo seu movimento é utilizado no espaço. Ao contrário do observador, que usa a totalidade de seu movimento para viajar pelo espaço, assim envelhecendo. De forma simples, Einstein estabelece que o tempo-espaço não é absoluto, que o movimento livre de forças é relativo e que a velocidade máxima universal é a velocidade da luz. Essas conclusões, como vocês verão, levaram Einstein a criar um segundo conflito, dessa vez entre a teoria da relatividade especial e a gravitação de Newton.

Relatividade Geral

A relatividade geral foi uma teoria publicada em 1915. Estima-se que Einstein tenha demorado mais de dez anos para completar a teoria, além de passar mais de cinco anos sem fazer progresso algum devido a sua complexidade incomum. A relatividade geral é uma teoria de gravitação, que busca responder o segundo conflito criado por Einstein. O conflito se baseia no fato de que a teoria da gravitação universal de Newton diz que a gravidade se propaga instantaneamente pelo universo, ou seja, se o Sol explodisse a Terra imediatamente iria deixar sua órbita elíptica. Mas como vimos isso viola a teoria da relatividade especial que afirma que a velocidade máxima para qualquer coisa ou fenômeno é a velocidade da luz.

Einstein resolveu esse problema com a ideia de objetos e energia distorcem o tecido do espaço-tempo e tal efeito sobre o espaço-tempo propaga a gravidade. É como se o tecido do espaço-tempo fosse uma malha esticada e segurada por duas pessoas, ao colocarmos uma bola de boliche em seu centro ela iria afundar a malha. Se jogarmos uma bolinha de gude com pouca velocidade, ela será levada na direção da bola, seguindo a curva da malha, mas se jogarmos com velocidade suficiente, ela irá acompanhar o movimento da malha e sair da depressão causada pela bola de boliche. Einstein afirma que é isso que ocorre no universo, os objetos estão seguindo o tecido do espaço-tempo e por isso são atraídos para outros objetos.

O princípio base para a teoria da relatividade geral é chamado de princípio da equivalência. Este princípio é uma estrutura fundamental para a relatividade geral e afirma que sistemas acelerados e sistemas submetidos a campos gravitacionais são fisicamente iguais, ou seja, é impossível distinguir gravidade de aceleração. Nas condições certas, uma pessoa não tem como saber se o que sente é aceleração ou um campo gravitacional.

A teoria da relatividade geral cria a possibilidade dos chamados buracos negros, pontos no espaço em que a gravidade é tanta, que nada, nem mesmo a luz consegue escapar a seu campo gravitacional. Isso ocorre pois a luz se move em linha reta pelo espaço, apenas seguindo o tecido do espaço-tempo. Como o ponto próximo a um buraco negro é extremamente curvado, a luz segue para dentro dele e de lá não consegue mais sair.

Uma outra possibilidade criada pela relatividade geral são os famosos buracos de minhoca. Buracos de minhoca são, como o nome sugere, buracos que ligam duas regiões longínquas do universo através de uma espécie de ponte. Apesar de constantemente utilizada em filmes de ficção científica, buracos de minhoca nunca foram observados e por isso até sua existência é desconhecida. Buracos negros pelo contrário são bastante conhecidos e amplamente estudados pela física atual. Esses e muitos outros fenômenos são possíveis com a teoria da relatividade geral. Teoria essa que desafiou o conceito dos mais brilhantes físicos de sua época e ainda insiste em desafiar nossa intuição.