O grande trunfo de Einstein era sua imaginação, caracterizada pela fantasia infantil, irrestrita aos padrões impostos pela maturidade realista.
Velocidade constante da luz
É possível que a primeira inspiração para o cientista tenha sido o trem que ia para a estação de Zurique, onde Albert Einstein vivia e trabalhava. À medida que nos movemos lentamente da estação, olhando pela janela, vemos a plataforma saindo. Um adulto entenderá imediatamente que não é uma plataforma que está se movendo, mas um trem. No entanto, Einstein se perguntou: como sabemos disso?
A resposta é Terra. Isso é o que consideramos estacionário e, portanto, atribuímos velocidade aos objetos em relação a ele. Mas e se a Terra não existisse? Como sabemos se nossa espaçonave está se movendo ou a estação espacial está se afastando de nós? A primeira coisa que vem à mente são as leis da física. Talvez existam algumas regras que levam em conta a velocidade, e assim aprendemos com o curso dos fenômenos se estamos parados ou em movimento?
O melhor candidato são os campos magnéticos e elétricos. Na escola, aprendemos que realmente é uma força – o eletromagnetismo. O trabalho do físico holandês Hendrik Lorenz mostra que a luz, que na verdade é um campo eletromagnético alternado, deve sempre se mover na mesma velocidade, independentemente do nosso movimento.
Como verificar? Como sabemos que a Terra se move (muito rapidamente) em torno do Sol e em torno de seu eixo, então, se a velocidade da luz depende do movimento, um feixe de luz se movendo de oeste para leste – e, portanto, na direção do movimento da Terra – deve seguir o mesmo caminho, diferente do segundo, de norte a sul. Tal experimento foi conduzido pelos cientistas americanos Albert A. Michelson e Edward Morley. E descobriu-se que a velocidade da luz realmente não depende da direção de seu movimento.
Relatividade Especial
O movimento existe apenas no contexto de dois observadores comparando seus sistemas, é sempre mútuo e não faz sentido definir sistemas em repouso. Portanto, todas as teorias físicas corretas devem ser independentes da velocidade e da posição, e também do tempo. Caso contrário, seria possível distinguir entre sistemas móveis e estacionários.
Como chegar a um acordo com essa velocidade constante da luz? Afinal, isso significa que, se o “farol” espacial enviasse um sinal de luz e atingíssemos um foguete voando a uma velocidade próxima à velocidade da luz e perseguissemos esse sinal, ele se afastaria rapidamente de nós e do farol . Isso é paradoxal, mas não a imaginação de uma criança.
Nesse caso, ou a distância entre nós e o feixe aumenta ou o tempo diminui para nós. O grau de alongamento do espaço ou dilatação do tempo é proporcional à velocidade relativa. No caso da busca da luz, o espaço se estenderá indefinidamente e o tempo parará.
Chegamos a um ponto em que nossa imaginação pode não ser suficiente para nós. O que significa que o tempo vai parar? Vamos congelar em uma posição? Bem, não, viveremos normalmente em nosso quadro de referência – mas nos sentiremos como deuses existindo fora do tempo do resto do universo. Mas como o movimento é relativo e mútuo, podemos dizer o mesmo sobre o mundo fora de nós. Então, o que é simultaneidade? Como você concilia o princípio de causa e efeito com isso?
Todas as implicações da teoria da relatividade ainda não são compreendidas. Einstein nomeou dois dos mais importantes. Primeiro, é impossível atingir a velocidade da luz. A energia necessária para aumentar a velocidade aumenta inversamente com a diferença entre ela e a velocidade da luz. Um objeto se movendo na velocidade da luz terá energia infinita. Mas como o movimento é relativo, qual é essa energia? Como lembramos da escola, a energia do movimento é proporcional à velocidade e à massa. Então, Einstein disse que deveria ser massivo. A partir disso, ele derivou sua equação mais famosa. E=mc^2 – massa é uma forma de energia em repouso.
A segunda conclusão da constância da velocidade da luz é a necessidade de integrar o tempo como quarta dimensão no espaço tridimensional conhecido por nós, já descrito na antiguidade por Euclides. Somente o espaço-tempo criado dessa maneira, definido pela primeira vez pelo matemático alemão Hermann Minkowski, descreverá corretamente a física. Um ponto no espaço-tempo é uma localização específica no espaço em um ponto específico no tempo. O segmento do espaço-tempo conectando dois de seus pontos é a distância entre dois eventos.
Relatividade Geral
A massa não é apenas uma medida da força que deve ser aplicada para colocar um objeto em movimento e, portanto, seu grau de inércia. A massa também é a fonte da gravidade. Essas definições referem-se a fenômenos completamente diferentes. Eles podem conter a mesma quantidade física? Tais “incidentes” não acontecem na natureza.
O experimento correspondente foi realizado pelo geofísico húngaro Lorand Eötvös usando um pêndulo de torção. Descobriu-se que as massas inerciais e gravitacionais são absolutamente iguais. Para Einstein, isso era a prova de que, assim como os campos elétrico e magnético, a gravidade e a inércia devem seguir o mesmo padrão. Sob a influência de uma força, mudamos o valor ou a direção de nossa velocidade, que em física é chamada de aceleração. Aceleração é uma mudança na velocidade, e a velocidade é sempre relativa. Como o movimento em si é relativo, a aceleração também deve ser relativa.
Inspirado no exemplo da Terra, a superfície curva sobre a qual vivemos e medimos, Einstein sabia que uma superfície plana não era a única possibilidade permitida pela geometria. Se o espaço-tempo quadridimensional não fosse um plano, então as trajetórias dos objetos desprovidos de qualquer interferência externa e, portanto, movendo-se em linhas retas de acordo com as leis clássicas da física, teriam que ser curvas.
Em alguns sistemas, isso pode ser explicado pela gravidade, em outros – pela inércia e no modelo – simplesmente pela curvatura do espaço. Dois trens viajando em trilhos paralelos adjacentes, ou no mesmo trilho, mas em um intervalo constante, podem colidir.
Foi necessário repensar os conceitos de paralelismo e direto, bem como o conceito de tempo. Como o espaço é curvo, a luz também deve ser curvada nessas curvas. Como a curvatura deve causar efeitos como a gravidade, cada massa deve criar heterogeneidades espaço-temporais e assim, por exemplo, influenciar a passagem do tempo.
Muitas dessas conclusões foram confirmadas experimentalmente, como o fluxo desigual do tempo no ponto mais próximo e mais distante da órbita de Mercúrio, levando a suas mudanças lentas, ou a capacidade de ver estrelas escondidas atrás de outros corpos cósmicos massivos. Muitos outros ainda aguardam confirmação.
