O que é a teoria da relatividade?

Antes do nascimento da teoria da relatividade, pensava-se que a luz, sendo uma onda, necessitava de um meio para se propagar, e esse meio era conhecido como éter. Além disso, a teoria que descreve os fenômenos luminosos parecia assumir uma forma diferente se os observadores fossem considerados como se movendo a uma certa velocidade em relação ao éter. Em 1887, os físicos americanos Albert Michelson e Edward Morley conduziram um experimento para medir a velocidade do movimento da Terra em relação ao éter. O resultado indicou que a luz se propagava à mesma velocidade em todas as direções na superfície da Terra, o que questionava a própria existência do éter. Esse experimento desconcertou a comunidade científica até que, em 1905, Einstein desenvolveu a Teoria da Relatividade Especial , que se baseia em dois postulados sobre a invariância das leis físicas — isto é, como a natureza é descrita de maneira semelhante, independentemente de quem a observa.

O primeiro postulado ou princípio da relatividade estabelece que as leis da física (excluindo a gravitação, por ora) são as mesmas observadas por observadores inerciais, ou seja, observadores que se movem a uma velocidade relativa constante. Embora a validade das leis de Newton para diferentes observadores desse tipo fosse conhecida, se a luz necessitasse de um meio para se propagar, esse éter poderia ser considerado um sistema de referência absoluto, e os fenômenos luminosos poderiam nos permitir determinar a velocidade de propagação de um observador inercial em relação ao éter.

Refletindo sobre o fato de que o éter havia se tornado desnecessário, Einstein concluiu que as leis do eletromagnetismo (que descrevem a luz) também devem ser válidas para todos os observadores. Além disso, o segundo postulado afirma que a velocidade da luz no vácuo é a mesma medida por qualquer observador inercial. Isso implica que é impossível para um observador inercial viajar a essa velocidade. Se uma espaçonave estivesse viajando à velocidade da luz em relação a outro observador e emitisse um pulso de luz com um laser na mesma direção do movimento, esse observador veria que a espaçonave e a luz permanecem no mesmo lugar, movendo-se à mesma velocidade, mas, a partir da espaçonave, veria que a luz está se afastando dela, o que é uma contradição.

A combinação desses postulados leva a alguns resultados contraintuitivos. Dois eventos que são simultâneos para um observador não são simultâneos para outro observador que se move em relação a ele porque o tempo decorrido entre os eventos se dilata quando visto por um observador em movimento em relação a outro observador para quem eles ocorrem no mesmo local, enquanto o comprimento dos objetos se contrai quando visto por um observador em movimento em relação ao objeto. Obviamente, esses efeitos são insignificantes quando as velocidades envolvidas são muito menores do que a velocidade de propagação da luz, mas eles mudam radicalmente nossa compreensão do espaço e do tempo. Embora os intervalos espaciais e temporais possam ter valores diferentes dependendo de quem os mede, um intervalo espaço-temporal pode ser definido que é o mesmo para todos os observadores. A física ocorre no espaço-tempo que definimos por meio desses intervalos, e isso tem implicações profundas.

Mas será que toda a física se dá no espaço-tempo? A teoria da relatividade especial não era compatível com a descrição newtoniana da gravidade. O grande salto conceitual da Teoria da Relatividade Geral , formulada por Einstein em 1915 , consistiu em compreender que a gravidade não é um fenômeno mediado por outra força contida no espaço-tempo, mas sim devido justamente à curvatura do espaço-tempo produzida pelas massas que ele contém. O espaço-tempo passa de uma estrutura inerte na qual a física ocorre a uma grandeza física em si.

Os princípios subjacentes à Teoria Geral da Relatividade são o princípio geral da covariância e o princípio da equivalência. O primeiro generaliza o princípio da relatividade, pois considera a equivalência das leis da física para todos os observadores e na presença da gravidade. O princípio da equivalência foi introduzido na física newtoniana e estabelece a equivalência da massa inercial, que mede como um objeto resiste a uma mudança em seu movimento, e da massa gravitacional, que descreve como um corpo experimenta o campo gravitacional. Essa relação é consequência da universalidade da queda livre, ou seja, que todos os corpos aceleram igualmente na presença da gravidade e na ausência de outras forças.

No entanto, Einstein foi além ao refletir que a física em um laboratório uniformemente acelerado na ausência de gravidade deveria ser a mesma que a física em outro laboratório imerso em um campo gravitacional uniforme. Seguindo essa reflexão, pode-se tentar compreender os fenômenos gravitacionais em termos das grandezas usadas para descrever o movimento no espaço, o que sugere uma compreensão da gravidade como um fenômeno geométrico.

O princípio da equivalência na estrutura relativística possui diversas formulações. O chamado princípio da equivalência einsteiniana afirma que fenômenos físicos não gravitacionais (e aqueles com efeitos desprezíveis no espaço-tempo) não são afetados, em uma pequena região do espaço e em qualquer ponto dentro dela, pela presença de um campo gravitacional.

Isso implica que, em qualquer ponto do espaço e a qualquer momento, dentro de uma região suficientemente pequena, a descrição da natureza dada pela relatividade especial pode ser recuperada. Assim, a teoria da relatividade geral generaliza a teoria da relatividade especial na presença da gravidade.

Prado Martín Moruno é doutor em Física, pesquisador e professor do Departamento de Física Teórica da Universidade Complutense de Madri .

Coordenação e redação: Victoria Toro .

Pergunta enviada por José Ortega Carrascal .

Nosotras Respondemos é uma consulta científica semanal, patrocinada pelo programa "Para Mulheres na Ciência" da L'Oréal-Unesco e pela Bristol Myers Squibb , que responde às perguntas dos leitores sobre ciência e tecnologia. Essas perguntas são respondidas por cientistas e tecnólogas, membros da AMIT (Associação de Mulheres Pesquisadoras e Tecnólogas). Envie suas perguntas para [email protected] ou pelo X #nosotrasrespondemos.