Não tenha medo, por mais complexa que a Teoria da Relatividade pareça ser, é surpreendentemente simples. Neste pequeno artigo, tentaremos explicar o que Einstein propõe.

Quando nos referimos à “Teoria da Relatividade”, o que realmente queremos dizer é relatividade geral. A relatividade especial é um “caso especial” da relatividade geral. A combinação desses dois princípios ajuda a explicar muitos assuntos, variando do movimento dos planetas, o efeito da gravidade na luz até a existência de buracos negros.

A relatividade especial afirma que as leis da física e, portanto, o universo é o mesmo para todos os observadores igualmente “rápidos”. No vácuo do espaço, a velocidade da luz é uma constante independente de qualquer observador.

Mas e quanto a aceleração e gravidade? Einstein passou uma década refletindo sobre isso. Em 1915, ele triunfalmente produziu sua Teoria Geral da Relatividade. Ele determinou que objetos massivos no espaço causam a distorção do espaço-tempo, que todos nós “sentimos” como gravidade. Quanto mais massivo um objeto é, mais ele distorce o espaço-tempo.

Pensando fora da caixa

Einstein, com sua maneira incomum de pensar, assumiu que as observações experimentais estavam corretas. Este era o completo oposto dos pensamentos de seus contemporâneos. No final do século 19, os físicos estavam procurando por algo chamado “éter”. Acreditava-se que o éter era o meio pelo qual a luz viajava. Tornou-se, em essência, a busca pelo Santo Graal. Einstein percebeu que a obsessão de seus colegas pela tarefa estava atrapalhando o progresso científico. Sua solução foi simplesmente removê-lo da equação. Ele assumiu que as leis da física funcionariam independentemente de como as coisas estavam se movendo. Uma estratégia que não conflita com o que dados experimentais e matemáticos revelavam.

Em 1905, Albert Einstein desenvolveu sua Teoria Especial da Relatividade. Seu trabalho inovador invalidou séculos de pensamento científico, assim como mudou a forma como percebemos o mundo ao nosso redor.

Como o próprio nome sugere, esta teoria só é aplicável para casos especiais, ou seja, quando ambos os objetos estão se movendo com velocidade constante ou uniforme.

Einstein explicou que o movimento relativo de dois objetos deveria ser o quadro de referência em vez de um sistema de referência esotérico “etérico” externo. A título de exemplo, digamos que você fosse um astronauta em uma espaçonave, observando outra espaçonave à distância. A única coisa que importa é o quão rápido você e seu alvo observado estão se movendo em relação um ao outro. No entanto, a relatividade especial só se aplica se você estiver viajando em linha reta e não acelerando. Se a aceleração ocorrer, a Relatividade Geral precisa ser aplicada.

A teoria é baseada em dois princípios fundamentais:

Relatividade – As leis da física não mudam. Mesmo para objetos que se movem em referenciais de velocidade inerciais e constantes.

A velocidade da luz – É a mesma para todos os observadores, independentemente do seu movimento relativo à fonte de luz.

O trabalho de Einstein cria um elo fundamental entre o tempo e o espaço. Nós intuitivamente imaginamos o universo não só como tridimensional (para cima e para baixo, esquerda e direita, para frente e para trás), mas também com um componente ou dimensão temporal. A combinação destes torna o ambiente 4-D que experimentamos.

Se você fosse se mover rápido o suficiente através do espaço, qualquer observação que você fizesse sobre o espaço e o tempo seria diferente de qualquer outra pessoa que se movesse a uma velocidade diferente da sua. À medida que a diferença entre as velocidades aumentava, também aumentavam as diferenças observadas.

É tudo relativo

Agora, imagine que você está em uma nave espacial com um laser na mão. O raio laser dispara diretamente para o teto, atinge um espelho e é refletido de volta para o chão em um detector. Lembre-se agora que a nave está em movimento, digamos a cerca de metade da velocidade da luz. A relatividade afirma que este movimento não faz diferença para você, você não pode “sentir” (assim como na Terra, uma vez que ela está girando em seu eixo e se deslocando pelo espaço ao redor do sol).

Mas aqui vem a reviravolta:

Um observador externo, no entanto, testemunharia algo muito diferente. Se ele pudesse “ver” através de sua nave, ele notaria que o feixe de laser viaja “para cima” em um ângulo, atinge o espelho e depois desce novamente em outro ângulo para atingir o detector. O observador notaria que o caminho da luz seria mais longo e em um ângulo mais pronunciado do que você observaria dentro de sua nave. Mais importante, o tempo necessário para o laser atingir o detector seria diferente. Dado que a velocidade da luz é constante, como isso pode acontecer? Claramente, a passagem do tempo deve ser diferente para você e para o observador externo.

Esse fenômeno é conhecido como dilatação do tempo. No exemplo acima, o tempo deve estar “se movendo” mais rápido para você comparado ao do observador mais lento. Este exemplo simples nos permite visualizar a teoria da relatividade de Einstein, em que o espaço e o tempo estão intimamente ligados.

Como você pode imaginar, uma variação tão extrema na passagem do tempo só seria apreciavelmente notada em velocidades muito grandes, especialmente perto da velocidade da luz. Experimentos foram realizados e validaram a teoria de Einstein. Tempo e espaço são percebidos diferentemente conforme nos movemos mais rápido.

É o que explica o paradoxo dos gêmeos:

“HÁ dois gêmeos idênticos, A e B. O gêmeo A fez uma viagem espacial para um planeta localizado a uma distância de 8 anos-luz da Terra e com uma velocidade de 0,5 c, enquanto o gêmeo B permaneceu na Terra. Ambos tiveram seus relógios ajustados e marcavam a mesma hora antes da viagem. Para o gêmeo que ficou na Terra, a distância percorrida pela nave permaneceu a mesma, mas para o que viajou com velocidade de 0,5 c, o cálculo da distância foi feito utilizando-se a equação da contração do comprimento. A distância percorrida pelo irmão que viajou foi de 7 anos-luz. Assim, a viagem para o gêmeo B demorou 16 anos (8/0,5) para ida e 16 para volta, somando 32 anos, enquanto para o gêmeo A foi de 14 (7/05) anos para ida e 14 para a volta, totalizando 28 anos. Percebemos que o gêmeo que ficou na Terra envelheceu 4 anos a mais do que o que viajou.”

Em outra situação, por exemplo, enquanto que para um hipotético observador na borda de um buraco negro o tempo passa 30 minutos, na Terra teriam se passado anos ou décadas. Isso porque um buraco negro é um objeto extremamente massivo, e distorce demais o espaço-tempo.

Massa, energia e velocidade da luz

Einstein certamente não descansou. Também em 1905, ele aplicou seus princípios de relatividade para produzir a famosa equação e = mc2. Esta equação inocuamente simples expressa a relação fundamental entre massa (m) e energia (e).

Esta pequena equação descobriu que quando nos aproximamos da velocidade da luz, c, os objetos ganham muita massa. Então você pode viajar muito rápido, mas sua massa aumenta em relação à sua velocidade. Em seu extremo, se você estivesse viajando na velocidade da luz, sua energia e massa seriam infinitas. Como você já sabe, quanto mais pesado o objeto, mais difícil é movê-lo; assim, mais energia necessária para acelerar. Assim, é impossível exceder a velocidade da luz, pois o objeto teria uma massa infinita, e seria preciso uma energia igualmente infinita para acelerá-lo.

O legado de Einstein

Até Einstein, massa e energia eram vistas como coisas completamente separadas. Seu trabalho provou que os princípios da conservação de massa e energia fazem parte de uma conservação maior e mais unificada da massa-energia. A matéria, portanto, pode ser transformada em energia e vice-versa, devido à conexão fundamental entre elas. Isto é, francamente, incrível.

Para resumir, em primeiro lugar, não há quadro de referência “absoluto”, daí o uso do termo “relatividade”. Em segundo lugar, a velocidade da luz é constante para quem quer que a meça, seja em movimento ou não. Por último, a velocidade da luz não pode ser excedida, é o “limite de velocidade” universal.

Entendeu? Ótimo. Não? Não se preocupe, é contra-intuitivo mesmo. As maiores descobertas da ciência são frequentemente feitas nos domínios fora do nosso “senso comum”.