Teoria da relatividade

1. Introdução

Este trabalho tem como objetivo o aprendizado à respeito da física moderna, envolvendo a teoria da relatividade, dilatação do tempo, contração do comprimento, aumento de massa e o efeito fotoelétrico, estes que serão apresentados ao decorrer do trabalho.

A teoria da relatividade nada mais é que um conjunto de duas teorias científicas: Relatividade especial e Relatividade geral que foram elaboradas pelo físico alemão Albert Einstein. Ela foi uma revolução para o século XX, pois provocou inúmeras transformações em conceitos básicos. Inicialmente pretendia explicar certas anomalias no movimento relativo, mas no decorrer do processo converteu-se em uma das teorias básicas mais importantes das ciências físicas e se tornou base para que os físicos demonstrassem a unidade essencial da matéria e da energia, do espaço e do tempo, e a equivalência entre as forças de gravitação e os efeitos da aceleração de um sistema.

E o efeito fotoelétrico parece simples, mas intrigou bastantes cientistas, só em 1905, Einstein explicou devidamente este efeito. Mais tarde Einstein com a teoria dos fótons explicou que, a intensidade de luz é proporcional ao número de fótons e que como consequência determina o número de elétrons a serem arrancados da superfície da placa metálica e, quanto maior a frequência maior é a energia adquirida pelos elétrons assim eles saem da placa e abaixo da frequência de corte, os elétrons não recebem nenhum tipo de energia, assim não saem da placa.

2. Teoria da relatividade

A teoria da relatividade diz respeito a duas teorias distintas: a teoria da relatividade especial (TER) e a teoria da relatividade geral (TRG). Essas teorias foram criadas pelo físico Albert Einstein e apesar de serem fascinantes são pouco compreendidas.

Albert Einstein afirmou que tempo e espaço são relativos e estão profundamente entrelaçados.

2.1. Teoria da relatividade geral

A relatividade geral foi uma teoria publicada em 1915. Estima-se que Einstein tenha demorado mais de dez anos para completar a teoria, além de passar mais de cinco anos sem fazer progresso algum devido a sua complexidade incomum. A relatividade geral é uma teoria de gravitação, que busca responder o segundo conflito criado por Einstein. O conflito se baseia no fato de que a teoria da gravitação universal de Newton diz que a gravidade se propaga instantaneamente pelo universo, ou seja, se o Sol explodisse a Terra imediatamente iria deixar sua órbita elíptica. Mas como vimos isso viola a teoria da relatividade especial que afirma que a velocidade máxima para qualquer coisa ou fenômeno é a velocidade da luz.

Einstein resolveu esse problema com a ideia de objetos e energia distorcem o tecido do espaço-tempo e tal efeito sobre o espaço-tempo propaga a gravidade. É como se o tecido do espaço-tempo fosse uma malha esticada e segurada por duas pessoas, ao colocarmos uma bola de boliche em seu centro ela iria afundar a malha. Se jogarmos uma bolinha de gude com pouca velocidade, ela será levada na direção da bola, seguindo a curva da malha, mas se jogarmos com velocidade suficiente, ela irá acompanhar o movimento da malha e sair da depressão causada pela bola de boliche. Einstein afirma que é isso que ocorre no universo, os objetos estão seguindo o tecido do espaço-tempo e por isso são atraídos para outros objetos.

O princípio base para a teoria da relatividade geral é chamado de princípio da equivalência. Este princípio é uma estrutura fundamental para a relatividade geral e afirma que sistemas acelerados e sistemas submetidos a campos gravitacionais são fisicamente iguais, ou seja, é impossível distinguir gravidade de aceleração. Nas condições certas, uma pessoa não tem como saber se o que sente é aceleração ou um campo gravitacional.

A teoria da relatividade geral cria a possibilidade dos chamados buracos negros, pontos no espaço em que a gravidade é tanta, que nada, nem mesmo a luz consegue escapar a seu campo gravitacional. Isso ocorre pois a luz se move em linha reta pelo espaço, apenas seguindo o tecido do espaço-tempo. Como o ponto próximo a um buraco negro é extremamente curvado, a luz segue para dentro dele e de lá não consegue mais sair.

Uma outra possibilidade criada pela relatividade geral são os famosos buracos de minhoca. Buracos de minhoca são, como o nome sugere, buracos que ligam duas regiões longínquas do universo através de uma espécie de ponte. Apesar de constantemente utilizada em filmes de ficção científica, buracos de minhoca nunca foram observados e por isso até sua existência é desconhecida. Buracos negros pelo contrário são bastante conhecidos e amplamente estudados pela física atual. Esses e muitos outros fenômenos são possíveis com a teoria da relatividade geral. Teoria essa que desafiou o conceito dos mais brilhantes físicos de sua época e ainda insiste em desafiar nossa intuição.

2.2. Teoria da relatividade especial

A teoria da relatividade especial (ou restrita) foi publicada em 1905 pelo físico Albert Einstein e foi a solução para um dos três maiores conflitos da física. O conflito diz respeito às propriedades da luz e seu comportamento.

A física de Newton afirma que é possível ficar lado a lado com um raio de luz se o observador estiver na velocidade da luz, vendo-o parado, ao contrário do que diz os estudos sobre o eletromagnetismo desenvolvido por Maxwell. Eis o primeiro conflito, que foi resolvido por Einstein. A teoria da relatividade especial se apóia principalmente em dois pilares. O primeiro pilar são as leis da física que dizem respeito às propriedades da luz e seu movimento, enquanto o segundo é conhecido como princípio da relatividade.

O princípio da relatividade nos diz que: ao se falar das velocidades e posições de objetos precisamos especificar a velocidade e posição do(s) observador (es). A primeira vista essa afirmação parece pura perda de tempo, mas na verdade o princípio da relatividade nos diz exatamente isso, o movimento depende do ponto de vista do observador. Por exemplo: uma pessoa em um traje espacial que se move a velocidade constante sente-se estacionária. Ao cruzar com outra pessoa, acha que está parado e a pessoa que está se movendo. O mesmo vale para a outra pessoa, que se sente estacionária no caso de estar com velocidade constante. Agora você deve estar se perguntando qual dos dois está correto. Na verdade ambos estão