Teoria da Relatividade, Relatividade Especial e Relatividade Geral

Teoria da Relatividade, Relatividade Especial e Relatividade Geral

Teoria da relatividade é o modelo da física que, por meio de uma concepção generalizada dos sistemas naturais, descreve o movimento de corpos submetidos a velocidades semelhantes à da luz. Enunciada fundamentalmente por Albert Einstein, no início do século XX, a teoria da relatividade suscitou ampla renovação científica ao alterar algumas ideias básicas da física clássica e oferecer uma explicação coerente e unificada para grande número de fenômenos da natureza.

As hipóteses relativistas elaboradas por Albert Einstein no início do século XX para explicar a estrutura do cosmos transcenderam o âmbito científico e, com o passar dos anos, se transformaram num símbolo paradigmático da filosofia e do modo de entender o mundo durante o que se chamou de era da relativização.

Em virtude de sua complexidade e das datas de publicação dos trabalhos de Einstein, a teoria da relatividade se distingue entre o modelo especial, ou restrito, postulado em 1905 e apoiado em alguns trabalhos precursores, e a relatividade geral, publicada por Einstein entre 1912 e 1917, que inclui a noção de campo gravitacional e procura condensar num modelo único todas as manifestações físicas do universo.

Historicamente, a teoria da relatividade ampliou as ideias existentes no momento de sua aparição e englobou as teorias clássicas como um caso particular de suas propostas. Assim, a mecânica clássica, baseada nos princípios da dinâmica de Isaac Newton, e os fundamentos da eletricidade e do magnetismo, reunidos nas leis enunciadas por James Clerk Maxwell, constituem casos particulares da teoria relativista sob as condições especiais presentes em sistemas com componentes de movimento extremamente lento em comparação com a velocidade de deslocamento da luz.

Relatividade especial

Nas últimas décadas do século XIX, o acúmulo de dados extraídos de numerosas experiências da física começaram a mostrar brechas e indeterminações nos modelos científicos da época. Esses modelos eram baseados em dois pilares principais: a teoria da gravitação universal de Newton e os princípios do eletromagnetismo propostos por Michael Faraday e resumidos nas equações de Maxwell.

Ambas as concepções, a mecânica e a eletromagnética, propunham um universo com partículas e campos de força que constituíam entes rígidos, mergulhados num espaço e tempo absolutos e de dimensões invariáveis. Dentro dessa concepção, tomava-se um sistema de referência único, em relação ao qual se determinariam os movimentos de todos os corpos. Esse sistema ideal se chamou éter cósmico.

A busca sem sucesso do éter em numerosas experiências estimulou o surgimento das futuras teorias. Os americanos Albert Abraham Michelson e Edward Williams Morley, por exemplo, fizeram uma pesquisa com o objetivo de descobrir a velocidade com que a Terra se deslocava através do éter cósmico, supostamente imóvel. Michelson e Morley conseguiram medir com grande precisão a velocidade da luz, o que apoiou as concepções de Einstein e a ideia segundo a qual o deslocamento das ondas luminosas tinha velocidade constante, invariável para qualquer observador em repouso ou dotado de movimento uniforme.

A descoberta da invariabilidade da velocidade da luz foi um golpe na noção do espaço e tempo absolutos. Isso inspirou os trabalhos de George Francis Fitzgerald e Hendrik Antoon Lorentz, dos quais se deduziu um conjunto de leis matemáticas, conhecidas como transformações de Lorentz, cujos resultados incluem as noções de contração da distância e dilatação do tempo.

Noções relativistas e suas consequências. O trabalho de Einstein, publicado em 1905 pela revista Annalen der Physik, deu uma resposta consistente ao problema da relatividade espaço-temporal sugerido por Lorentz e Fitzgerald. Os postulados principais da teoria da relatividade restrita são os que se seguem.

1 - As leis da natureza não variam entre os sistemas distintos, chamados inerciais, que se movem com velocidade constante, uns em relação aos outros.

2 - Não existe um sistema de referência absoluto, e o estudo dos fenômenos físicos terá que ser feito mediante variáveis relativas que expressam leis idênticas em diferentes sistemas inerciais.

Essas hipóteses, apoiadas pelas experiências de Michelson-Morley sobre a velocidade da luz, negaram a existência do éter cósmico e revelaram um princípio que se tornou fundamental na ciência do século XX: a velocidade da luz é inatingível por qualquer partícula material, e além disso é insuperável.

As consequências diretas da teoria restrita, apoiadas em rigorosa formulação matemática, revolucionaram os postulados da ciência. De maneira geral, um objeto material com velocidade próxima à da luz sofre efeitos surpreendentes: sua massa aumenta, o espaço se contrai e o tempo se dilata. Estes dois últimos efeitos se deduzem das equações de Lorentz.

As hipóteses de Einstein, em sua teoria restrita, se completaram com a equação da equivalência entre massa e energia como uma das manifestações paralelas do mesmo fenômeno. A lei da conversão entre matéria e energia, expressa pela equação matemática E = mc2, enuncia que a massa de uma partícula submetida a altas velocidades se transforma em energia pura, segundo um fator de conversão igual ao quadrado da velocidade da luz (c) no meio em que se realiza a experiência. Obteve-se a comprovação experimental dessa equação mediante o estudo das reações nucleares, que liberam colossais quantidades de energia resultantes da perda de massa do sistema. A conversão inversa, de energia em massa, que daria lugar à materialização de campos energéticos, nunca foi detectada em lugar algum do universo, embora modernas teorias cosmológicas tenham previsto a existência de buracos brancos que atuariam como criadores de matéria.

Os sistemas de referência exclusivamente espaciais, usados nas teorias clássicas, tiveram que ser completados por uma nova variável, o tempo, para satisfazer as novas hipóteses. O alemão Hermann Minkowski definiu o espaço tetradimensional como constituído de três direções de espaço e uma de tempo. O tempo seria o quarto eixo de referência. No espaço-tempo de Minkowski puderam ser representados os fenômenos referentes às teorias relativistas.

Relatividade geral

A principal limitação da relatividade especial era sua aplicação restrita a sistemas de referência inerciais, de velocidade retilínea e constante em relação uns aos outros. A generalização das hipóteses da relatividade restrita ampliou o princípio da invariabilidade das leis da natureza a qualquer sistema, inclusive os de tipo não inercial ou dotados de uma aceleração ou velocidade variável com relação aos sistemas inerciais.

Campos gravitacionais

O objetivo de Einstein, com a globalização dos postulados relativistas, foi desenvolver um modelo de campo gravitacional no qual definiu as características dos sistemas cinemáticos e dinâmicos em condições próximas ao limite da velocidade da luz. As ideias de Einstein foram enriquecidas por trabalhos de Hermann Bondi, Sir Fred Hoyle, Thomas Gold e Ernest Pascual Jordan.

Confirmação da teoria

As hipóteses de Einstein, apesar de sua brilhante demonstração teórica, só alcançaram pleno reconhecimento internacional depois do surgimento de provas experimentais de sua validade. Entre os principais resultados que apoiaram as hipóteses relativistas se incluem: a explicação das anomalias observadas desde o século XIX nas órbitas do Planeta Mercúrio, mediante a inclusão do conceito de campo gravitacional relativista, no qual a trajetória da luz se curva na presença de fortes campos gravitacionais; a interpretação dos fenômenos das partículas atômicas lançadas em alta velocidade no interior de aceleradores como ciclotrons e similares; e a construção de teorias cosmológicas da estrutura de sistemas galáticos e estelares e da forma e origem do universo.

As equações de Einstein permitiram prever a conversão de matéria em energia nos reatores e bombas nucleares. Nos últimos anos do século XX, outras previsões de Einstein na teoria da relatividade geral eram ainda objeto de pesquisa. Entre essas previsões se incluem a existência de ondas gravitacionais e dos buracos negros, objetos formados pelo colapso de estrelas de grande massa, dos quais nem a luz conseguiria escapar. Em maio de 1994, o telescópio espacial americano Hubble detectou pela primeira vez um objeto que correspondia às características de um buraco negro superdenso, situado a cinquenta milhões de anos-luz da Terra, na galáxia gigante M87.

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