teoria da relatividade

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Início da Teoria da Relatividade
A teoria da relatividade foi uma revolução para o século XX, pois ela provocou
inúmeras transformações em conceitos básicos e também proporcionou que
fatos importantes, ainda não explicáveis, pudessem ser entendidos. Essa teoria
surgiu com o físico alemão Albert Einstein. Nascido em Ulm, Einstein foi um
físico e pesquisador muito conhecido por ter proposto a teoria da relatividade,
mas também foi ele que explicou corretamente o efeito fotoelétrico, fato esse
que possibilitou o desenvolvimento da bomba atômica, mesmo sem ele saber
para quais fins se destinava.
A teoria da relatividade é composta de duas outras teorias: Teoria da
Relatividade Restrita, que estuda os fenômenos em relação a referenciais
inerciais, e a Teoria da Relatividade Geral, que aborda fenômenos do ponto de
vista não inercial. Apesar de formar uma só teoria, elas foram propostas em
tempos diferentes, mas ambas trouxeram o conhecimento de que os
movimentos do Universo não são absolutos, mas, sim, relativos.
A teoria da relatividade restrita foi construída por Einstein a partir de dois
importantes postulados:
1º Postulado: as leis da Física são as mesmas em todos os sistemas de
referência inercial.
2º Postulado: a velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor para qualquer
referencial inercial, ou seja, c = 300 000 km/s
Invariância da velocidade da luz
A velocidade da luz no vácuo, simbolizada pela letra c, é, por definição, igual a
299 792 458 metros por segundo.
A velocidade a que as ondas de luz se propagam no vácuo é independente
tanto do movimento da fonte de onda quanto do referencial inercial do
observador, de modo que a velocidade da luz emitida por uma fonte em alta
velocidade é a mesma que a de outra fonte estacionária. No entanto, a
frequência da luz (que define a cor) e a energia podem depender do movimento
da fonte em relação ao observador, devido ao efeito Doppler relativístico.
Todos os observadores que medem a velocidade da luz no vácuo chegam ao
mesmo resultado. Essa invariância da velocidade da luz foi postulada por
Einstein em 1905, motivado pela teoria de Maxwell do eletromagnetismo e a
falta de evidências para suportar a hipótese de um éter luminífero; e desde
então tem sido consistentemente confirmada por diversos experimentos.
Dentre todas velocidades possíveis, o valor da velocidade da luz em relação
qualquer referencial inercial, é o único valor que não permite velocidades
relativas. É o que diz o segundo postulado da Relatividade Especial :
“A luz tem velocidade invariante igual à c em relação a qualquer sistema de
coordenadas inercial.”
Velocidade é uma grandeza física vetorial e obedece às regras do cálculo
vetorial. A velocidade da luz também é um vetor : possui módulo, direção e
sentido. Entretanto, a velocidade da luz, por um motivo físico, não obedece às
regras de cálculo vetorial, como uma velocidade comum
Graças a correção da Relatividade Especial na Mecânica de Newton, que
tornou-se possível a construção de aparelhos como GPS, e a melhor coleta de
dados de satélites, dentre outros
Inexistência de um sistema de referencia absoluto
Teoria da relatividade
A teoria da relatividade aborda os fenômenos que ocorrem em deslocamentos
de objetos que possuem velocidades próximas ou iguais à da luz.
Para entendermos as teorias da relatividade formuladas por Einstein,
imaginemos dois sistemas de referência (podemos imaginar dois sistemas de
referencia como sendo duas naves espaciais). Consideremos agora esses
referenciais (as duas naves espaciais) em movimento relativo. Um determinado
fenômeno pode ser investigado através de medidas realizadas pelos
observadores localizados em cada um dos referenciais.
O resultado das medidas levadas a efeito em referenciais diferentes (em cada
uma das naves) permite-nos classificar as grandezas físicas em duas grandes
categorias. As grandezas absolutas são aquelas para as quais as medidas
levam sempre ao mesmo resultado (ao mesmo valor), independentemente dos
referenciais. As grandezas relativas são aquelas, como o nome indica, que
dependem do sistema de referencia. O tempo, por exemplo, é absoluto? Isto é,
intervalos de tempo dependem do referencial escolhido? Astronautas em naves
diferentes registram intervalos de tempo iguais para um mesmo evento? Até o
trabalho de Einstein, o tempo era absoluto.
Na teoria da relatividade restrita, o objetivo de Einstein era o de descrever os
fenômenos analisados a partir de sistemas de referência, que se movem com
velocidade constante e em linha reta, um em relação ao outro. O fato de a
velocidade destes ser constante, e o movimento retilíneo, fazia com que a sua
teoria da relatividade fosse mais restrita. Dez anos depois Einstein elaborou
uma teoria mais geral (sua Teoria Geral da Relatividade).
> Inexistência de um sistema de referência absoluto
Outra consequência é a rejeição da noção de um único sistema absoluto de
referência (o éter). Antes acreditava-se que o universo era imerso em uma
substância conhecida como éter (identificável como o espaço absoluto) em
relação à qual podiam ser medidas velocidades.
Este éter seria o referencial privilegiado para descrever toda a Física. Seria
também o meio material no qual as ondas eletromagnéticas (luz) se
propagavam e teria
propriedades incríveis, como uma grande elasticidade, estar disseminado por
todo o espaço e simultaneamente ter as propriedades de um meio sólido de
modo a poder suportar vibrações transversais (caso da luz), além de poder
penetrar todos corpos. Os resultados de várias experiências, que culminaram
na famosa experiência de Michelson-Morley, sugeriram:
* ou a Terra estava sempre estacionária em relação ao éter
* ou a noção de um sistema de referência absoluto era errônea e devia ser
rejeitada.
Nessa experiência, não se tendo detectado o imaginoso éter lumifero e por não
se detectar também o próprio movimento da terra, concluiu-se que a luz
deveria ser desvinculada da fonte.
Einstein na sua teoria da relatividade partiu do pressuposto que todos os
corpos celestes possuem um movimento e qualquer movimento deveria ser
relativo ao outro uma vez o não conhecimento de um conceito universal usável
como referencia ao "estado estacionário".
Quando estamos enunciando a lei da inércia, ou seja, a Primeira Lei de
Newton, temos que indicar ao que ou a quem está sendo referido o movimento
do corpo livre em movimento. Temos a possibilidade de admitir que o
movimento do corpo é relativo a um observador (ele próprio), a uma outra
partícula ou a um sistema livre. Para o sistema livre, o móvel não sofre
interação com o restante do universo.
Esse observador é dito um observador inercial e o sistema de referência que
ele utiliza recebe o nome de ``sistema inercial de referência´´.
Podemos encontrar diferentes observadores inerciais em um movimento
uniforme relativo. Dessa forma, um corpo livre que se encontra em repouso em
relação a um observador inercial pode ser considerado em movimento,
possuindo uma velocidade constante em relação a outros observadores
inerciais.
Na Relatividade Restrita continua, no entanto, a existir um conjunto de
referenciais privilegiados, os referenciais inerciais, em relação aos quais todos
os fenômenos físicos devem ter a mesma descrição (princípio de covariância).
Com o advento da Relatividade Geral, esta distinção entre referenciais inerciais
e outros referenciais desaparece e a teoria passa a ser escrita da mesma
forma em todos os referenciais, sejam eles inerciais ou não, ou mesmo não
cartesianos.
Relação entre massa e energia
A relação entre a energia e a massa resulta da lei da conservação da energia
e do fato de a massa do corpo depender da velocidade do movimento. A
energia relativística foi descoberta por Einstein, em 1905. Essa teoria mostra
que massa e energia são grandezas equivalentes, sendo que qualquer massa
possui energia associada a ela e vice-versa. Matematicamente, essa relação é
definida pela famosa equação de Einstein:
E = m.c2
Sendo:
E – energia de uma partícula;
m – massa da partícula;
c –velocidade da luz no vácuo.
A equação acima é a mais conhecida da 
Física e teve enormes consequências, dentre as quais podemos destacar a
energia nuclear.
Embora essa energia esteja vinculada a uma velocidade (c), ela também
fornece a energia de repouso E0 de um corpo em um referencial em virtude de
sua massa de repouso m0.
E0 = m0.c2
Porém, se o corpo estiver em movimento, com uma velocidade v, devemos
levar em consideração que ele passa a ter também uma energia cinética Ec e
sua massa relativística sofre dilatação, aumentando uma quantidade Δm = m –
m0.
A massa relativística é dada pela equação:
Sendo a energia cinética dada pela expressão:
EC = Δm . c2
EC = ( m – m0) . c2
Porem se o corpo estiver em movimento com a velocidade v, devemos levar
em consideração que ele passa a ter também uma energia cinética Ec e sua
massa relativística sofre dilatação, aumentando uma quantidade Δm= m-m0.
A massa relativista é dada pela equação:
Sendo a energia cinética dada pela expressão:
Ec=  Δm.c2
Ec=(m-m0) . c2
Confirmação experimental da teoria de relatividade restrita
Experiência de Michelson-Morley – deriva do éter.
Experiência de Hamar – obstrução do fluxo de éter.
Experiência de Trouton-Noble - momento de torção num capacitor.
Experiência de Kennedy-Thorndike – contracção do tempo.
Experiência de Sagnac - variação de velocidade em sistema de espelhos
rotativo.
Experiência de Kaufman - deflexão de feixe de elétrons em concordância
perfeita com a previsão de Lorentz-Einstein.
Experiência de Rossi-Hall - medida da mudança da meia-vida característica de
uma partícula no referencial do laboratório em função da velocidade.
Experiência de Ives-Stilwell - mediu o desvio Doppler de luz emitida por raios
canais do hidrogênio em sentidos opostos.
Provas da teoria no nosso cotidiano
1- Magnetismo
Sim, magnetismo só é possível graças à Relatividade e é um dos fenômenos
mais fáceis de provar que Einstein estava certo há um século. Mas como
podemos observar isso em nossos ímãs de geladeira?
Se considerarmos que o tempo é relativo, duas pessoas próximas à velocidade
da luz veriam dois fenômenos diferentes ao observar o magnetismo: uma veria
um campo magnético e outra um campo elétrico. Ambos estão correlacionados,
e não há um único ponto de referência. É relativo.
2 – GPS
Os aparelhos de GPS já são bem populares hoje em dia e estão presentes em
grande parte dos smartphones. Mas você sabia que os efeitos da Relatividade
devem ser levados em conta para seu funcionamento?
Nossa localização no GPS é calculada com o tempo de resposta entre os
satélites que orbitam a Terra e nossos aparelhos. O problema é que estes
satélites estão a uma altura de 20 mil quilômetros acima da Terra e sofrem
efeitos muito menores de gravidade em relação às estações terrestres e
aparelhos de localização.
Some isso à velocidade de movimento de 10.000 km/h dos satélites em órbita e
teremos como resultado cerca de sete microssegundos de diferença em
relação a nós. Pode parecer pouco, mas essa variação de tempo implicaria em
uma diferença de 10 quilômetros na localização de seu GPS diariamente. Por
isso, todos os aparelhos no espaço contam com cronômetros precisos que se
adaptam ao tempo na Terra.
3 – Energia atômica
Outra comprovação da Teoria da Relatividade está presente em mais da
metade de nossos dias. O brilho e energia do Sol existem graças aos efeitos da
relatividade, assim como qualquer usina nuclear na Terra.
A teoria de Einstein é provada na prática pela fissão nuclear, em que grandes
quantidades de energia podem ser obtidas por pequenas quantidades de
massa, como um átomo que se divide em duas partículas de massas
diferentes. Essas mesmas reações estão presentes na superfície solar e são
responsáveis pela energia que utilizamos.
4 – O funcionamento da velha TV de tubo
As TVs antigas funcionavam com uma tecnologia comumente chamada de
CRT, do inglês cathode ray tube, ou “tubo de raio catódicos”. Basicamente,
elétrons são disparados em alta velocidade – cerca de 30% da velocidade da
luz – na parte de trás da tela, tornando cada pixel individualmente visível.
Se os efeitos da relatividade não fossem levados em conta, os elétrons teriam
uma margem de erro suficiente para não projetar os pixels nas posições
corretas, e os fabricantes tiveram que levar em conta esses efeitos para
inventarem a TV.
5 – O ouro ser dourado
Se os efeitos da relatividade não existissem, o ouro provavelmente seria mais
azulado. Mas por quê? O ouro é um átomo pesado, e isso significa que os
elétrons de camadas mais internas se movem muito mais rápido que o normal.
O aumento de velocidade em uma distância menor – a distância para orbitar o
núcleo diminui em camadas mais próximas – culmina no aumento do momento,
e consequentemente na ampliação de energia e massa deste elétron se
levarmos em conta a fórmula de Einstein.
A energia destes elétrons se torna próxima à dos elétrons nas camadas
exteriores, resultando em absorção e reflexão de ondas de luz maiores, que
aos nossos olhos correspondem às cores amarelo, laranja e vermelho. Sem os
efeitos da relatividade, as ondas seriam curtas – que produzem cores azuladas
e violetas.
6 – Mercúrio ser líquido
Podemos encontrar o mercúrio no estado líquido na natureza pelo mesmo
motivo do ouro ter sua coloração única. Acontece que, assim como no caso
anterior, este metal é um átomo pesado e seus elétrons sofrem a mesma
aceleração próxima ao núcleo.
O aumento de massa e energia dos elétrons torna o ligamento entre seus
próprios átomos fraco. Esta ligação fraca entre o próprio elemento químico do
mercúrio é o que o torna líquido.
Experimento: descrição
Teoria da relatividade especial Foi descoberto que no Eletromagnetismo a luz é
uma onda e a luz se propaga em um meio - no caso da luz, esse meio
hipotético era conhecido como éter, e ele permearia todo o espaço. O primeiro
a tentar medir de que modo a velocidade do éter influenciaria na velocidade da
luz foi Fizeau, por volta de 1870. Fizeau já havia medido a velocidade da luz
com grande precisão, usando um aparato engenhoso. Esse experimento
consistia em mandar um raio de luz em um espelho muito distante. Contendo
um roda do lado oposto do espelho que girava muito rapidamente, então
dependendo da velocidade que ela girasse o raio de luz conseguia passar e
conseguia voltar. E se ela girasse um pouco mais rápido ele não conseguia
voltar, então com isso ele conseguiu saber, com essa distância, com bastante
precisão a velocidade da luz. Que na época seria de 298.000 km/ s. E hoje
sabemos que essa velocidade é de 299.792 km/ s.