O que é a relatividade

SE ESTIVESSE num foguete, viajando através do espaço distante, como poderia saber sua velocidade e direção?
Na terra, não haveria problema. Se um carro viaja noventa quilômetros de um lugar a outro em uma hora, viajou à velocidade de noventa quilômetros por hora. Poderíamos até medir esta distância se tivéssemos de prová-lo. Assim, há algo definido para nos guiar, o solo pelo qual viajamos. Também, a rotação das rodas do carro move um velocímetro que indica a velocidade a qualquer dado momento.
Os aviões, em adição a poderem observar a terra sobre a qual passam, podem usar indicadores de velocidade para aferir sua velocidade. Baseiam-se na pressão do ar e medem o índice de viagem pelo ar a qualquer tempo determinado. E os astronautas que viajam para a lua podem medir sua velocidade relativa à terra, sabendo a distância até a lua e quanto tempo precisam para chegar até lá. Assim, enquanto houver algum corpo familiar em vista, pode-se medir a direção e a taxa de velocidade.

No Espaço Sideral

Mas, além da vista da terra, da lua, dos planetas e do sol, então, o que fazer? Até mesmo um indicador de velocidade aérea não teria valor, porque não há ar no espaço sideral!
Assim, digamos que enquanto estivesse em seu foguete no espaço, visse um meteorito passar pela sua janela. Significaria isso que viajava mais depressa do que o leitor? Talvez concluísse precipitadamente que sim. Mas, espere! Talvez aconteça que, ao invés disso, esteja parado e ele estivesse passando? Ou era o meteorito que estava parado e o leitor realmente recuava? Ou estavam ambos recuando, mas sua taxa de recuo era mais rápida que a do meteorito? Com efeito, como realmente saberia o que é recuar ou avançar no espaço sideral?
Pode ver as complicações de tentar determinar o movimento no espaço. Tem de haver algum corpo familiar com o qual o objeto que viaja possa ser relacionado. Por isso, todo movimento no espaço é relativo, isso é, é mais rápido, mais devagar, vai para a frente ou recua em comparação com outra coisa. Esta a base da teoria da relatividade.

Teoria da Relatividade Especial

Albert Einstein, em 1905, foi o primeiro a formular esta teoria, dum modo que pudesse ser estudada pelos cálculos e experiências matemáticas. Sua teoria incluía as idéias principais de que (1) todo movimento é relativo, o que significa que a velocidade e a direção de qualquer objeto podem ser medidos apenas em relação a outro objeto; e (2) que a velocidade da luz no vácuo é um valor absoluto, isto é, ela viaja a cerca de 300.000 quilômetros por segundo e independe do movimento da fonte luminosa.
Ilustremos estes dois pontos. Se estivesse viajando num trem a 80 quilômetros por hora e lançasse uma bola para a frente pelo corredor à velocidade de 30 quilômetros por hora, quão rápido estaria correndo a bola? Em relação ao leitor, e aos passageiros ao longo do corredor, a bola estaria correndo a 30 quilômetros por hora.
Mas, digamos que haja uma pessoa que esteja em pé ao longo dos trilhos ferroviários, fora do trem, e possa observar, através das janelas do trem, a bola ser arremessada. Quão rápido estaria correndo a bola em relação a tal pessoa? Estaria correndo a 110 quilômetros por hora, visto que também incluiria a velocidade de percurso do trem. Assim, a velocidade da bola é relativa, dependendo de quem a observa.
Entretanto, com a luz é muito diferente. Se pudesse acelerar seu trem a 160.000 quilômetros por segundo e então lançasse um raio de luz para a frente pelo corredor, quão rápido acha que essa luz viajaria? Bem, para o leitor, no trem, diria 300.000 quilômetros por segundo, visto que é essa a velocidade da luz Mas quão rápido passaria pelo observador junto aos trilhos? Como no caso da bola que arremessou, talvez pense que neste caso, também, para o observador do lado de fora, teria de adicionar a velocidade do trem (160.000 quilômetros por segundo, neste caso) à velocidade da luz (300.000 quilômetros por segundo), resultando numa velocidade total de 460.000 quilômetros por segundo.
Mas, isto não se aplica à luz! Trata-se dum fenômeno surpreendente; não importa quão rápido viaje seu trem, não poderia acelerar de jeito nenhum esse raio de luz! Viajaria pelo observador, ao longo dos trilhos, a 300.000 quilômetros por segundo, visto que não é influenciado pela velocidade de sua fonte. Essa velocidade da luz representa a velocidade última de qualquer coisa que os cientistas tenham observado no universo, embora possa haver velocidades maiores desconhecidas por eles.
Estas duas idéias, de que todo movimento é relativo, e de que a velocidade da luz é independente da velocidade de sua fonte, são básicas ao que é conhecido como Teoria da Relatividade Especial.
Naturalmente, a Teoria da Relatividade Especial é muito mais complexa do que esta consideração pode indicar, visto que define a relação entre a luz, a energia e a matéria. Tornou possível os cálculos que resultaram na famosa equação E=mc2, que foi a base da bomba atômica. A explosão da bomba deixou pouca dúvida quanto à validez geral da teoria da relatividade especial de Einstein.

Teoria da Relatividade Geral

Mas, o que acontece quando há mudanças na velocidade e na direção? Como é o movimento dos corpos celestiais influenciado pelos campos de gravidade de outros corpos? Como é influenciada a luz quando passa por uma estrela ou planeta que tenha forte campo gravitacional?
Em 1916, Einstein formulou sua Teoria da Relatividade Geral. Nela, incluiu as possibilidades de mudanças na velocidade e na direção, especialmente em se devendo às sutis influências da gravidade.
Expressando esta teoria em linguagem matemática revela sua fantástica complexidade. O livro New Frontiers of Physics (Novas Fronteiras da Física) afirma que seria necessário "um conjunto de dez equações diferenciais simultâneas, cada uma de estrutura tão temível e maravilhosa que uma notação muitíssimo compacta e desconhecida é necessária para torná-la adequada." Assim, se acha que a relatividade é assunto difícil, não se surpreenda! Os cientistas também acham!
Segundo sua teoria, Einstein conseguiu predizer algumas outras coisas interessantes. Uma foi o efeito que a gravidade exerceria sobre os processos naturais do tempo.

A Gravidade Freia os Processos

Quando falamos dos processos naturais do tempo, queremos dizer em especial os "relógios" atômicos, os átomos rítmicos, vibrantes que emitem a radiação em medida constante e comensurável. Tais "relógios" atômicos são muito mais exatos que nossos relógios mecânicos.
A Teoria da Relatividade Geral predizia que todos os processos naturais do tempo, tais como as radiações rítmicas dos átomos seriam mais vagarosos quando num corpo maior e "mais pesado". Por exemplo, um átomo irradiaria mais vagarosamente no sol do que na terra, visto que o sol era dotado de maior massa, ou "peso".
Ao passo que é difícil obter-se prova de tal predição, as medidas das mudanças na taxa da radiação atômica de corpos densos forneceram algum indício de que a conclusão de Einstein era geralmente correta. Tais processos num planeta ou estrela dotado de maior massa, ou "peso" parecem ser mais vagarosos do que na terra, devido à força maior de gravidade sobre os outros corpos.
Outra conclusão interessante tirada desta teoria foi que a gravidade podia atrair, ou curvar, um raio de luz.

Curvando um Raio de Luz

Einstein calculou que um raio de luz poderia ser defletido, ou curvado, por um forte campo gravitacional, de forma similar à que uma partícula de matéria é atraída pela gravidade.
A fim de se obter prova experimental disto, era necessário grande empreendimento. Duas expedições astronômicas britânicas fotografaram a posição duma estrela pré-escolhida, cada uma de diferente ponto da terra. Daí, destas mesmas duas posições, foram tiradas outras fotografias da mesma estrela à medida que o sol se interpôs entre a estrela e a terra. Se a luz da estrela se tivesse defletido ao passar pelo sol, isso deveria ser indicado por uma mudança de posição nas diferentes fotografias.
Matematicamente, Einstein computou a deflexão como sendo de cerca de 1,75 segundos do arco, segundo sua teoria. Os dois grupos mediram as alterações nas fotografias. Em um caso era de 1,98 segundos do arco. As medidas do outro grupo chegaram a 1,6 segundos. Isto se achava notavelmente perto da previsão, suficiente perto para comprovar sua suposição básica.
Visto que a gravidade podia influir num raio luminoso, isto apresentava interessante possibilidade. Em Relativity for the Layman (Relatividade Para o Leigo), o autor J. Coleman declarou: "É interessante especular quão maciça uma estrela teria de ser para que sua atração gravitacional fosse tão forte a ponto de impedir que qualquer luz da estrela a deixasse. Pode-se mostrar que, para uma estrela do mesmo raio que o sol, isto ocorreria se sua massa fosse aproximadamente 400.000 vezes superior à massa do sol. Se tais estrelas existissem, jamais poderíamos vê-las, não importa quão próximas estivessem ou quão brilhantemente reluzissem!"
Outras interessantes possibilidades resultaram da Teoria da Relatividade Geral. Lançou luz sobre diferentes fenômenos que influem no mundo em que vivemos. Mas, ao passo que os cientistas continuam a usar as fórmulas matemáticas da teoria, não deixa de ter seus críticos. Tal crítica surgiu principalmente em resultado de que as fórmulas foram criadas para ajustar-se aos fatos encontrados, ao invés de as fórmulas se derivarem de princípios básicos. Resta ver-se que refinamentos ulteriores serão feitos para se expressar as leis do universo.
Todavia, à medida que as teorias são testadas, provadas, alteradas ou rejeitadas, um fato básico continua a vir à tona. É a grandiosa harmonia do universo. O próprio comentário de Einstein foi: "A física moderna é mais simples do que a antiga física. . . . Quanto mais simples for nosso quadro do mundo extremo e quanto mais fatos abranger, tanto mais fortemente reflete em nossas mentes a harmonia do universo."
Deveras, nos anos posteriores de sua vida, Einstein formulou a Teoria do Campo Unificado. Esta teoria foi expressa por um conjunto único de leis físicas que incluiriam o que ocorre dentro do átomo, bem como o que ocorre no espaço sideral. Mostra que as forças básicas do universo não são independentes umas das outras, mas são realmente inseparáveis. O universo e todas as suas partes são vistas como uma só unidade. A respeito desta Teoria do Campo Unificado, Lincoln Barnett declarou em The Universe and Dr. Einstein: "Tão profunda simplicidade suplanta a complexidade superficial da natureza. . . . Assim, todas as percepções do homem quanto ao mundo e todas as suas intuições abstratas da realidade se fundem por fim em uma só, e fica exposta a profunda unidade fundamental do universo."

*** g70 22/7 pp. 20-23 ***