TEORIA DA RELATIVIDADE RESTRITA DE EINSTEIN

ALBERT EINSTEIN

TCBC – ROBERTO SAAD JUNIOR

Para continuarmos com esta narrativa somos obrigados ainda a contar um pouco mais de história. 

UMA BREVE HISTÓRIA SOBRE AS “LEIS DO MOVIMENTO”

(é muito importante este histórico)

Alguém com muita razão pode se perguntar, mas por que é importante analisar o “movimento”? O que tem de especial? Certamente este assunto você não ache atraente. Porque não estudar outros assuntos que com certeza seriam prioritários, no ramo da física? 

Vamos nos aprofundar um pouquinho nesta questão, Pense! O movimento é a fonte de toda mudança. Um mundo sem movimento o que seria? A terra pararia de girar, seu corpo não poderia se mover. Os átomos param e não haveria mais química e nem moléculas. Nem mesmo o nosso pensamento teria lugar num mundo desses, pois as moléculas que formam nosso corpo, estariam todas em repouso. E muito mais coisas estranhas estariam acontecendo. 

Espero ter te convencido que sim, conhecer as leis que coordenam o movimento é fundamental. Quem conhece estas leis, estará apto a conhecer um pouco mais do Universo que nos cerca, visto que é feito de movimentos. Dominar as leis do movimento é dominar o Universo!

Quando estudamos o movimento, estamos estudando todos os fenômenos da natureza.

INÍCIO DE TUDO

Tudo começou há 2.000 anos com ARISTÓTELES, 300 AC ( figura 3) . Para este sábio, o movimento era sempre consequência de uma força aplicada. Qualquer objeto se movendo, sempre era  resultado de uma força nele aplicado. Pare de exercer esta força e o objeto para.

A força causa movimento.

Mais ainda, existe algum tipo de movimento que podemos chamar de natural. Um estado natural do movimento, neste universo?

Para ARISTÓTELES e seus discípulos a resposta era simples. Sim existe no Universo um estado natural de movimento: o repouso.

O objeto só deixará o repouso se uma força for nele aplicada. Assim como a TERRA era considerada o centro do Universo, o  estado de repouso, era o estado natural, por estar mais próximo possível do centro da TERRA. Este estado natural só seria abalado por intermédio de uma força.

Um pouco mais. O universo de ARISTÓTELES era dividido em domínio celeste e domínio terrestre. No domínio terrestre o “    repouso” era o estado natural. No domínio celeste (o da perfeição, morada dos DEUSES), o estado natural do movimento era o circulo perfeito. As estrelas e os planetas se movem ao redor da TERRA com seu estado natural de movimento: o círculo perfeito.

Bom, notem que foram pelo menos 2000 anos após estas primeiras considerações sobre o movimento que Einstein chegou à sua teoria da relatividade. Mas a história continua…….

Ptolomeu, nasceu no Egito, Alexandria. Após 400 anos, confirmou a teoria de Aristóteles: a terra está no centro do Universo e a perfeição está presente no céu. Lá os movimentos são circulares. Todos os astros assim se movem. Neste período da história, havia uma divisão clara: no céu, tudo é perfeito, é divino; na terra somos imperfeitos. Por este motivo o movimento natural  lá nas alturas era “circular” (a mais perfeita das trajetórias) e aqui na terra por sermos imperfeitos, o movimento natural era o repouso. Era o objeto estar mais próximo possível do centro da terra.

Agora já são 1300 anos após Aristóteles.

Nicolau Copérnico foi uns dos primeiros a afirmar que a terra não era o centro do Universo e sim o Sol, teoria heliocêntrica ( os filósofos gregos antigos, já ventilavam esta ideia). Esta teoria revolucionou a elite pensante da época e principalmente a igreja. Como a terra não possui o lugar de centro do mundo? Copérnico mostrou que a terra não era uma referência, em torno da qual tudo se movia.

Lembrem-se: Copérnico era padre. Continuava a acreditar que existia sim o domínio celeste onde tudo era perfeito e o domínio terrestre onde as coisas eram mais mundanas e impuras. Portanto concordava com Aristóteles neste aspecto e mais, também acreditava que o estado natural do movimento era o circular no céu e repouso na terra.

TYCHO BRAHE 1546-1601

Tycho foi um astrônomo observacional da era que precedeu a invenção do telescópio, e as suas observações da posição das estrelas e dos planetas alcançaram uma precisão sem paralelo para a época. Após a sua morte, os seus registos dos movimentos de Marte,  permitiram a Johannes Kepler descobrir as leis dos movimentos dos planetas, que deram suporte à teoria heliocêntrica de Copérnico. Tycho não defendia o sistema de Copérnico mas propôs um sistema em que os planetas giram à volta do Sol e este orbitava em torno da Terra. Seus manuscritos levaram seu assistente Johannes Kepler a propor nova teoria.

JOHANNES KEPLER 1571-1630

Foi astrônomo dinamarquês que com os manuscritos precisos de Tycho, provou que as órbitas dos planetas não eram circulares e sim elípticas. Notem que ousadia. Agora o tal domínio celeste já não era tão divino pois admitia movimentos elípticos, isto é, não circulares. Então não sendo circular não era perfeito como acreditavam seus antecessores! E o que acontecia no céu, acontecia do mesmo modo na terra. Cai a ideia do domínio celeste e do domínio terrestre. Não há mais diferença, vivemos todos no mesmo mundo.

GALILEU 1564-1642

Galileu Galilei, físico e astrônomo, nasceu na cidade de Pisa, Itália, no dia 15 de fevereiro de 1.564. Galilei é considerado um dos fundadores do método experimental e da ciência. Pode-se dizer que Galileu foi o pai da física moderna. Defendia que as verdades científicas só poderiam ser consequentes ao experimento e a observação. Suas principais contribuições à física dizem respeito ao movimento dos corpos e à teoria da cinemática.  Passou a ser um dos pais da mecânica, parte da física que estuda os movimentos e suas causas. Em 1.589, escreveu um texto sobre movimento, no qual criticava os pontos de vista de Aristóteles a respeito da queda livre e do movimento dos projéteis.  Aristóteles afirmava que em queda livre, dois corpos de massas diferentes caem com velocidades diferentes. Galileu por meio da sua famosa experiência na Torre de Pisa (lenda????) demonstrou que estes dois corpos caem com a mesma velocidade. Segundo Galileu uma bola de chumbo e outra de penas caem, quando liberadas da mesma altura e chegam ao chão ao mesmo tempo, desde que não consideremos a resistência do ar. O astronauta da Apolo 15, David Scott, ( na lua ) derrubou uma pena e um martelo e, com certeza, eles caíram no chão ao mesmo tempo ( na lua praticamente não há atmosfera). Este fato descrito por Galileu será muito importante ao estudarmos a “teoria da relatividade geral”. Por ora citei apenas por curiosidade.

Em julho de 1.609, visitou Veneza e teve notícias da invenção da luneta, construiu sua própria luneta e a aperfeiçoou. Assim, fez as primeiras observações da lua, também observou as fases de Vênus, fenômeno que seria impossível de acontecer se a teoria do geocentrismo fosse correta. Assim, Galileu publicou suas descobertas num pequeno texto chamado “O Mensageiro Sideral”. Estes escritos ficaram famosos e lhe valeram uma cátedra honorária em Pisa. Provou definitivamente a teoria heliocêntrica de Copérnico e ainda que, a nossa terra, nada tinha de especial era um astro iguais aos outros do Universo, isto é, a lua tem superfície imperfeita (como a terra), Júpiter tinha luas como a terra e assim por diante… Este fato trouxe-lhe grandes problemas: a revolta da Igreja e a Inquisição!!!

Portanto não existe a divisão feita por Aristóteles entre domínio celestial e domínio terrestre como já havia proposto Keppler.

Enquanto Aristóteles afirmava que o movimento natural de um objeto era o repouso, Galileu demonstrou que na verdade era o movimento retilíneo uniforme o movimento natural. 

Um novo conceito: o movimento natural de um corpo não é o repouso, mas, sim o movimento retilíneo uniforme. E mais não há como saber se você está em movimento retilíneo uniforme ou em repouso, isto sempre dependerá de uma referencial.

Este é o PRINCIPIO DA RELATIVIDADE DE GALILEU.

Neste entendimento afirmava que os resultados de todos os experimentos conduzidos por um observador em um navio com velocidade constante, “Movimento retilíneo Uniforme” seriam os mesmos obtidos nos experimentos de um observado “parado” no solo. Não há como saber se você está em repouso ou não. Esta regra é claro só vale para os movimentos uniformes. Nos movimentos acelerados, mais uma vez,  só  discutiremos quando analisaremos  a teoria geral da gravidade.

Este princípio da relatividade é válido para todos movimentos uniformes, entre si. Corpos com velocidades diferentes mas com movimentos uniformes, os resultados de qualquer experiência em qualquer desses movimentos, sempre serão os mesmos.

Expressando de outra forma: as leis mecânicas da física são as mesmas para qualquer observador inercial. Definindo observador inercial, aquele que está fixo ou que se move a uma velocidade constante e uma direção constante.

Vamos insistir um pouco mais neste assunto pois é um assunto de capital importância para podermos entender a teoria da relatividade restrita de Einstein.

Notem na figura que o barco está com velocidade constante em movimento uniforme. A bola azul lançada de cima de um mastro cai exatamente em linha reta em direção ao chão deste barco.

Pois bem o barco está em MRU (movimento) e este experimento realizado mostrou o que aconteceu com a bola azul.

Vamos agora imaginar o mesmo experimento, mas com o barco em repouso em relação a terra.

Verificamos o mesmo resultado. A bola azul lançada de cima de um mastro cai exatamente em linha reta em direção ao chão deste barco.

Portanto pelo experimento realizado não dá para o observador no barco saber se ele está em repouso ou em movimento retilíneo uniforme. Qualquer outro experimento que se realize teremos os mesmos resultados!

Então para Galileu, não existe uma referência estacionária absoluta, não existe um referencial em absoluto repouso, com a qual todos concordariam.

Vamos fazer agora algumas afirmações, que sugiro ficarão como axiomas. Temos que entendê-las, para decifrar a teoria da relatividade restrita. 

ALERTA:  atenção leitor, se você não ficou convencido que o princípio da relatividade de Galileu está correto ou não entendeu o explicado acima, você não deve continuar lendo, pois o princípio da relatividade é um dos pilares da teoria da relatividade de Einstein. Você tem que entender este aspecto, se tiver alguma dificuldade, torne a ler, procure outro livro e ENTENDA!!!!!!!! 

De qualquer modo vou dar mais um exemplo para ficar bem  claro o que significa o princípio da relatividade.

Um corpo livre de forças externas está em repouso ou em movimento retilíneo uniforme. Se você estiver neste corpo não será capaz de informar se está em repouso ou em movimento! É o que acontece com você presente na terra. A terra se move mas você se acredita em repouso. O movimento da terra não é exatamente uniforme, mas isto é um complicador menor para um argumento sólido e dentro de certos limites e para nossos propósitos, poderemos supor que o movimento da terra é uniforme (fique calmo, sabemos que o movimento da terra é acelerado, portanto não uniforme, mas acontece que para proporções tão pequenas do homem na terra e o espaço que ocupa, podemos considerar como uniforme!).

Agora consideremos que estamos em um trem que se move em linha reta, com velocidade constante, e façamos experiências com o comportamento de objetos dentro do trem e depois vamos comparar os resultados obtidos com os mesmos experimentos com estes objetos em um trem em repouso. Feche os olhos e imagine………

 Atire uma bola para cima com o trem em movimento: ela sobe e desce em linha reta, não é mesmo? E com o trem parado? Ela fará o mesmo trajeto. Conclusão: tudo o que acontece com o trem em movimento, acontecerá num trem parado. Portanto afirmo mais uma vez que repouso e movimento retilíneo uniforme são as mesmas coisas.

Em resumo: quando um laboratório se move em MRU (velocidade constante) com relação a outro laboratório, que esteja em repouso, é impossível notar qualquer diferença no comportamento dos objetos de um, para o outro.

Agora entendeu? Então vamos adiante.

Continuaremos no próximo Capítulo IV