Buracos negros, buracos de minhocas,
viagens no tempo e dilatação temporal. Estes são alguns fenômenos físicos que
fazem parte do filme Interestelar,
estreado recentemente nos cinemas. O filme é espetacular em efeitos especiais.
No entanto, os conceitos físicos por trás destes fenômenos em geral não são
claros para todo o público que assistiu ao filme. Este texto tem o objetivo
justamente de apresentar os principais conceitos que podem implicar a
existência dos fenômenos explorados em Interestelar.
Os fenômenos apresentados no filme
são implicações inteiramente da teoria da relatividade especial (TRE - 1905) e
da teoria da relatividade geral (TRG - 1915), ambas desenvolvidas pelo físico
alemão Albert Einstein. A primeira foi desenvolvida com base em dois postulados
e leva o termo “especial” por se limitar a sistemas físicos inerciais, ou seja,
sistemas físicos que se movimentam com velocidade nula ou constante um em
relação ao outro.
Antes de falarmos a respeito dos
postulados da TRE, precisamos mostrar a necessidade básica de se formular esta
nova teoria. Antes de 1905, os físicos entendiam o espaço como estando em
repouso absoluto, ou seja, poderíamos sempre dizer que nosso carro está a 100
Km/h, por exemplo, em relação a um ponto do espaço, pois este estaria sempre em
repouso. Este conceito de espaço é muito antigo, sendo que toda mecânica de
Galileu e Newton se baseia neste princípio. Assumia-se, além disso, que as leis
da física deveriam valer para qualquer ponto do universo, independentemente do
estado de movimento do observador em relação ao sistema físico. Tal
consideração é o que permite afirmarmos que um fenômeno realizado, por exemplo,
no Brasil, apresente o mesmo resultado quando realizado no Japão ou em qualquer
outro ponto do universo. O conjunto de equações que nos permite sair de um
sistema inercial para outro na mecânica newtoniana é chamado transformações de Galileu. O exemplo
mais simples disso é quando estamos andando dentro de um vagão de trem em
movimento. Ambos somos sistemas inerciais, e nossa velocidade em relação a
alguém parado fora do trem é nossa velocidade em relação ao trem mais a
velocidade do trem em relação ao trilho.
Por outro lado, Maxwell, em meados
do século XIX, formulou sua teoria eletromagnética que explicava fenômenos
elétricos e magnéticos conhecidos. A teoria completa pode ser resumida em
quatro equações, conhecidas como equações
de Maxwell. Nestas equações estão
incluídos os campos elétricos e magnéticos, correntes elétricas, e o fato de
que a luz é uma onda, formada por campos elétricos e magnéticos que se propagam
no espaço. O problema surge quando tentamos sair de um
sistema inercial para outro em um sistema eletromagnético. Usando as
transformações de Galileu nas equações de Maxwell, estas últimas não permanecem
as mesmas nos dois sistemas inerciais diferentes, o que implica em situações
físicas diferentes. Dizemos então que as equações de Maxwell não são
invariantes perante as transformações de Galileu. Portanto, as transformações
que nos levavam de um sistema inercial para outro na mecânica não funcionava no
eletromagnetismo.
O ponto principal que originou a
TER foi abolir a ideia de espaço em repouso absoluto. Além disso, Einstein
manteve o importante princípio de que as leis de toda a física (e não apenas a
mecânica) deveriam ser as mesmas para qualquer sistema inercial. Considerando
estas coisas, ele fez dois postulados:
1) Postulado
da relatividade:
As leis da física tem a mesma forma
em todos os referenciais inerciais;
2) Postulado
da constância da velocidade da luz:
A velocidade da luz é independente
do movimento de sua fonte.
Vemos que o primeiro postulado é
uma reafirmação do que já era conhecido da mecânica de Galileu e Newton, mas
agora expandido para toda a física, e não apenas a mecânica. O segundo
postulado implica necessariamente a perda de um referencial em repouso
absoluto, pois é a única forma de termos a velocidade da luz com a mesma
velocidade em todos os referenciais.
Note a relevância do segundo
postulado. Ele diz que, se tivermos um emissor de laser no vácuo a 100Km/h e
este emitir um feixe de luz, a velocidade para alguém em repouso em relação ao
emissor não será c (a velocidade da
luz no vácuo) mais 100Km/h. Ela será de fato c. Ou seja, por mais rápido que a fonte de luz esteja, a velocidade
da luz sempre será c, para todos os
referencias inerciais.
Vimos aqui uma breve abordagem
histórica da motivação principal que levou a construção da teoria da
relatividade especial, e a principal quebra de paradigma entre as épocas pré e
pós-TRE, ou seja, a perda do espaço em repouso absoluto. No próximo texto
veremos algumas consequências destes dois postulados no que diz respeito ao
filme Interestelar e abordaremos os
pontos principais que levaram a elaboração da teoria da relatividade geral, em
1915.
Bibliografia:
Teoria
da Relatividade Especial, R. Gazzinelli, Ed. Blucher –
2009.
