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Revisão de Física - Albert Einstein

 
Einstein pensa no Universo
 
 

 

Einstein pensa no Universo

"Ainda acredito na possibilidade de construirmos um modelo da realidade" Albert Einstein

Juntamente com a revolução na nossa compreensão da física do muito veloz e do muito pequeno, as três primeiras décadas do século XX presenciaram um outra revolução: uma nova física da gravidade e do Universo como um todo; ou seja, um física do muito grande. Mais uma vez o estímulo intelectual crucial veio da mente de Einstein. Logo após ter completado seu trabalho em relatividade especial, Einstein se perguntou como seria possível incluir também observadores movendo-se com velocidades variáveis. Numa visão que ele considerou "o pensamento mais fortuito de minha vida", Einstein descobriu uma profunda conexão entre movimento acelerado e gravidade: uma teoria "geral" da relatividade, capaz de incorporar movimentos acelerados, necessariamente implicava uma nova teoria da gravidade. 

Do mesmo modo que a relatividade especial revelara as limitações da mecânica newtoniana na descrição de movimentos com velocidades comparáveis à velocidade da luz, a nova teoria da gravitação desenvolvida por Einstein revelou as limitações da teoria de gravitação newtoniana. Tal como o eletromagnetismo, os efeitos da gravidade também poderiam ser representados por campos. Uma massa tem um campo gravitacional associado, "um distúrbio no espaço" que influenciará outras massas colocadas em sua vizinhança. Para sua nova teoria de relatividade geral, Einstein teve de desenvolver uma estrutura conceitual radicalmente diferente, que combinou de modo belíssimos conceitos físicos e matemáticos. 

Ao invés de espaço e tempo absolutos, na relatividade geral o espaço-tempo se torna plástico, deformável: a presença de matéria altera a geometria do espaço e o fluxo de tempo. 
Em 1907, enquanto trabalhava no escritório de patentes em Berna, Einstein, escrevendo um artigo sobre a sua teoria de relatividade especial, se deu conta que as leis físicas não podem ser diferentes para observadores com movimentos relativos acelerados. As leis da relatividade deveria incluir todos os tipos de movimento, acelerado ou não. Foi então que ele teve sua visão: 

"Eu estava calmamente sentado numa cadeira no escritório de patentes em Berna quando, de repente, um pensamento me ocorreu: em queda livre, um pessoa não sente seu próprio peso. Eu fiquei chocado. Esse simples pensamento causou uma profunda impressão em mim. Ele me conduziu em direção à nova teoria da gravitação." 

Para compreendermos a importância dessa visão, devemos voltar um pouco atrás. Uma das grandes descobertas de Galileu foi que todos os objetos caem com mesma aceleração, independentemente de suas massas. Largadas da mesma altura, uma bala de canhão e uma pena (na ausência de ar!) tocarão o chao ao mesmo tempo. 
Agora imagine que ao invés de um pena, fizéssemos este experimento com você! O que você verá durante a queda? Fora que o chão se aproxima rapidamente, você verá a bala de canhão caindo junto a você, lado a lado. De fato, se você não pudesse olhar para os lados, você não poderia dizer se você está ou não caindo; você não sentiria nem mesmo o próprio peso. Você não acredita? Pois então, vamos a um experimento menos drástico. Imagine-se num elevador, descendo rapidamente de uma altura de cinqüenta andares. 

Assim que o elevador começa a descer você se sente mais leve. Quanto mais rapidamente o elevador descer, mais leve você se sentirá. Se o elevador simplesmente cair, você não sentira seu próprio peso. Você e tudo mais no elevador estarão em queda livre, flutuando livremente. 
Essa visão fez com que Einstein compreendesse que os efeitos da gravidade poderiam ser "cancelados" num sistema referencial adequado. Por exemplo, no interior do elevador em queda livre, não existe gravidade, e, portanto, não existe aceleração. Em outras palavras, em um elevador em queda livres, os princípios da relatividade especial são perfeitamente válidos. 

A visão também disse algo mais a Einstein igualmente importante: para um observador numa cabine, sem contado com o mundo exterior, seria impossível distinguir entre a aceleração causada pela gravidade e a aceleração causada por qualquer outra força. Imagine-se que você foi posto numa cabine fechada e lançada ao espaço interestelar. A cabine está sendo puxada por um foguete com aceleração igual a da Terra. De repente uma voz vinda de um auto-falante ordena que você pegue duas bolas no armário, uma de madeira, outra de aço. "Largue-as simultaneamente de um altura de um metro", diz "a Voz". Ao largar as duas bolas você percebe que elas caem ao mesmo tempo. Inexplicavelmente você dispõe de um equipamento de medida de alta precisão, e mede o tempo de queda de ambas as bolas. 

Então, a Voz pergunta: "Usando apenas seus dados, será que você descobre onde está?". Lembrando-se um pouco de suas aulas de física, você sabe calcular a aceleração das bolas, e conclui que esta é a mesma aceleração medida na superfície da Terra. Você responde à Voz: "É claro, como eu medi um aceleração igual a da Terra, devo estar na Terra". "Seu tolo" diz a Voz. Ao dizer isto, as paredes da cabine se retraem, revelando um sistema de paredes, feitas de um cristal transparente. Assim, você se depara que está em pleno espaço. Raciocinado um pouco, você chega a conclusão que a aceleração do foguete pode simular os mesmos efeitos da força gravitacional. Imagine um elevador subindo; a aceleração extra do elevador faz com que você se sinta mais pesado, ou seja ele aumenta a força gravitacional que você sente. O mesmo acontece com a espaçonave puxando a cabine. Essa é a conseqüência da terceira lei de Newton, a lei da ação e reação. 

Você conclui que, na prática, é impossível distinguir uma aceleração para cima de uma força gravitacional para baixo. Esse resultado é conhecido como o princípio da equivalência. Qualquer campo gravitacional pode ser simulado por um referencial acelerado. Agora podemos entender por que Einstein ficou tão empolgado com sua visão: uma teoria geral da relatividade capaz de incluir movimentos acelerados é necessariamente uma teoria do campo gravitacional. 
Agora imagine que em outra espaçonave esteja um amigo seu. Como antes, ambas as cabines têm paredes transparentes e seriam puxadas lado a lado, independente uma da outra. Porém, enquanto a sua cabine seria puxada com aceleração constante, a de seu amigo viajaria com velocidade constante. Assim, no momento que você executa os experimentos, seus amigos os observam do ponto de vista de um referencial inercial (velocidade constante). 

O primeiro experimento é simples. As duas espaçonaves viajam lado a lado com velocidade constante. Então, "a Voz" pede para que você joga uma bola na direção horizontal com velocidade constante e observe sua trajetória comparando sua observações com seu amigo. Assim que você joga a bola, sua espaçonave começa a acelerar para cima. Portanto, mesmo que você e a cabine sofram uma aceleração para cima, a bola, que não estava mais em contato com você, não sofre nenhuma aceleração. Enquanto seu amigo vê a bola viajar com velocidade constante em linha reta, você vê a percorrer uma trajetória curva. Esse resultado não o surpreende muito, já que você sabia que um referencial acelerado pode simular um campo gravitacional. 

Para a segunda parte do experimento, em vez de jogar uma bola, você tem que disparar um raio laser, sempre na direção horizontal em relação ao chão da cabine. Para esse experimento a espaçonave irá impor uma aceleração muito maior sobre a cabine, de modo a simular um campo gravitacional bem forte. Claro, graças a uma tecnologia desconhecida, você permanecerá perfeitamente imune aos efeitos extremamente desconfortáveis causadas por tais acelerações, como, transformá-lo em uma panqueca! Digamos que, você possa ver a trajetória do laser através de uma neblina bem densa que há na cabine, por razões desconhecidas. Tal como a bola, seu amigo vê o laser percorrer uma trajetória retilínea. E exatamente como a bola, você vê o raio laser curvar-se para baixo. Você mal acredita em seus próprios olhos. A conclusão desse experimento é incrível; já que um referencial acelerado simula um campo gravitacional, um raio luminoso pode ser curvado por uma campo gravitacional! Esse efeito é uma conseqüência do princípio da equivalência. 

Daí podemos, seguindo o mesmo raciocínio, explicar a existência de um buraco negro. Os Buracos Negros são criados a partir da morte de uma estrela gigante. As estrelas morrem em grandes explosões que jogam suas partes externas para o espaço e esmagam suas partes internas. Se a massa da estrela for maior que três vezes a do Sol, a morte da estrela dará origem a um Buraco Negro, no seu centro a força gravitacional será tão intensa, devido a grande densidade, que nem a luz poderá escapar, por isso o seu nome. Assim, seus raios luminosos, encurvados sobre si mesmos, "cairiam" novamente sobre a própria estrela. 
Os buracos negros são detectados pelos efeitos que causam em outros corpos. Esta ilustração mostra um buraco negro sugando gases duma estrela (representação artística de um buraco negro - no retângulo menor - e sua ampliação). 

Entretanto, Mais tarde Einstein notou que existe outro modo de interpretar esse fenômeno: em vez de afirmarmos que o campo gravitacional defletiu o raio luminoso, podemos igualmente afirmar que o raio seguiu uma trajetória curva por que o próprio espaço era curvo! A trajetória curva é o caminho mais curto possível nessa geometria espacial deformada. Afinal, a luz sempre toma o caminho mais curto possível entre dois pontos. Logo, concluímos que a matéria dita a geometria do espaço e o espaço dita a geometria da matéria. 


De fato, a formulação da teoria da relatividade geral ocupou Einstein durante oito anos, até que chegasse a sua forma definitiva em 1915. Todavia os esforços de Einstein foram recompensados: a teoria da relatividade geral é um dos maiores feitos do intelecto humano. 

 

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