Relatividade. Cem anos de uma teoria que revolucionou a ciência

Por: Equipe Oásis

No último minuto Einstein repensou tudo. Faltava alguma coisa. Retomou o artigo que tinha preparado para a prestigiosa revista Annalen der Physik, e acrescentou um post scriptum, três páginas preenchidas com a sua típica caligrafia nítida e ordenada, para ilustrar uma última, inevitável consequência da sua teoria: a energia é equivalente à matéria, E=mc2.

Assim, a fórmula mais famosa de toda a história da ciência aparece pela primeira vez no post scriptum de um artigo assinado por Albert Einstein, um obscuro empregado do Escritório de Patentes de Berna, Suíça.

Essa fórmula afirma que a impalpável energia pode se transformar em matéria concreta, e vice versa... um acontecimento quase mágico mas (talvez exatamente por causa disso) compreensível a todos. O resto da teoria da relatividade, em vez disso, é mais difícil de digerir: para compreende-la é necessário virar de cabeça para baixo tudo aquilo que até então afirmavam não apenas os livros de física, mas também os sentidos e a experiência.

A teoria da relatividade restrita

Vamos por partes: Quando falamos de relatividade, em geral, juntamos dois escritos diversos de Einstein, um de 1905 (a relatividade restrita) e um de 1915 (a relatividade geral, logo depois publicado, no início de 1916). O que distingue um do outro?

É simples: a relatividade geral se ocupa da força de gravidade, a restrita não. Por essa razão, todos os fenômenos que envolvem a atração gravitacional, como por exemplo os buracos negros, têm a ver com a relatividade geral. Aqui esta, em vez disso, o que diz a teoria da relatividade restrita.

Todos sabem que os sentidos podem nos enganar. Quando observamos uma longa estrada reta, por exemplo, temos a impressão que ela se torna mais e mais estreita com a distância, mas não pensamos de forma a confundir essa sensação com a realidade. A relatividade produz a mesma operação: descarta tudo aquilo que depende do ponto de vista, e conserva aquilo que permanece constante em qualquer condição.

O tempo diminui, a massa cresce, os objetos encurtam 

Descobrir que coisa não varia, no entanto, não é simples. O tempo? O senso comum nos diz que se uma campainha toca em Nova York e depois de um átimo uma outra campainha toca em Roma, a ordem dos dois eventos é indiscutível. A teoria da relatividade afirma, em vez disso, que a velocidade do observador influencia também a percepção do antes e do depois, e portanto que o transcorrer do tempo não é universal.

Como Einstein conseguiu chegar a essa conclusão? O cientista alemão partiu do fato, bem conhecido já na sua época, que a luz se propaga com velocidade muito elevada mas não infinita, exatamente 299.792 quilômetros por segundo. As velocidades que nós medimos, porém, dependem da nossa própria velocidade: o automóvel que nos ultrapassa, por exemplo, às vezes nos parece lento de modo exasperante. Se tal fato valesse também para a luz, os raios emitidos por uma estrela deveriam nos parecer mais velozes ou mais lentos se a Terra se aproxima ou se afasta da estrela. Isso, no entanto, não acontece, a velocidade da luz não varia, e essa estranheza foi demonstrada pela primeira vez por dois físicos norte-americanos, Michaelson e Morley, em 1891.

Einstein soube extrair as consequências dessa descoberta. Se uma velocidade permanece constante até mesmo quando, segundo a lógica, deveria variar, só existe uma explicação: é o taquímetro que não funciona bem, como sempre. E não por culpa sua, explica Einstein, mas porque mudam os objetos que o pobre taquímetro deve medir: espaço e tempo não são mais os mesmos. E o instrumento registra fielmente o resultado: uma velocidade que não muda nunca. Mas em que modo espaço e tempo mudam? Aqui está um exemplo: Se um astronauta na Lua observasse a cabina de um foguete de passagem, veria os seus colegas a bordo do foguete se moverem “em câmera lenta”, e os objetos sobre a astronave “se encurtarem” ao longo da direção do movimento.

Mas também os astronautas em trânsito veriam seu colega sobre a Lua mover-se “em câmera lenta”. Como assim? Se por um lado o tempo diminui, pelo outro lado não deveria se acelerar? Não, em absoluto. Pensemos em dois homens distantes cem metros um do outro: o primeiro vê o outro com tamanho diminuído pela distância, mas não por isso o segundo vê o primeiro aumentado em seu tamanho. A teoria da relatividade introduz portanto o conceito de uma perspectiva temporal causada pela velocidade.

Todas as ideias-força da relatividade descendem desse único conceito, inclusive a equação E = mc2. Segundo as velhas teorias, com efeito, continuando-se a empurrar um corpo a sua velocidade deveria aumentar ao infinito, e isso é impossível: nada pode ir mais rápido do que a velocidade da luz. O que acontece, então? Simples: a energia fornecida não incrementa a velocidade do corpo, mas sim a sua massa: o corpo se torna cada vez mais “pesado”. Nesse sentido, a massa não é mais que uma forma de energia. E, no dia 6 de agosto de 1945, com o lançamento da bomba atômica sobre Hiroshima, o mundo teve a mais convincente demonstração desse princípio.

Nem todas as velocidades são relativas

A velocidade é uma questão de pontos de vista. Com efeito, ao se medir a velocidade de um objeto (por exemplo um projétil) é impossível ter em conta a sua própria velocidade. Pensemos em um projétil disparado de um trem em movimento: se o instrumento de medida se encontra no trem, ele irá registrar um certo valor, digamos de 200 quilômetros horários; se, em vez disso, o aparelho de medida estiver fora do trem, irá registrar a soma das duas velocidades, a do trem e a do projétil. Pode-se pensar que esse último valor seja o correto, pelo fato de ter sido registrado a partir de um ponto “parado”. Mas isso não é verdade, porque também o terreno se move (com o planeta) ao redor do Sol.

A velocidade, portanto, é sempre relativa? Não, diz Einstein: a velocidade da luz é absoluta, ou seja não muda se for medida do trem ou se for medida da terra. Por outro lado, com as velocidades de lesma típicas do mundo em que vivemos, na vida quotidiana, o fenômeno resulta irrelevante.

A relatividade geral

Tocamos de leve, até agora, a relatividade geral, uma complexa construção matemática que requereu dez anos de estudos. Com ela, Einstein pretendia construir um modelo matemático das leis que governam o universo: a relatividade restrita, com efeito, funciona bem apenas nas zonas de espaço-tempo nas quais a gravidade é irrelevante, ou seja, onde existe pouca matéria. Os resultados que Einstein obteve constituem um complexo de equações que, como um programa de computador, dá resultados diversos segundo os dados que sejam inseridos.

Eis porque a relatividade geral nunca deixou de fornecer novas informações: suas equações podem analisar qualquer situação cósmica que seja concebida ou detectada. Por exemplo, as equações podem dizer se e em quais condições é possível que no cosmos se forme um buraco negro, e o que acontecerá nas suas imediações.

O conceito-chave da teoria, de qualquer forma, pode ser facilmente exprimido em palavras: a gravitação altera o espaço-tempo. Em outras palavras, uma concentração de matéria dobra o espaço (e o tempo), como uma bola de boliche dobraria um tapete elástico. As consequências mais óbvias disso? Quando o espaço é deformado pela presença de uma estrela, os raios de luz observam uma deformação e descrevem uma curva. O tempo, por seu lado, transcorre mais lentamente na vizinhança de grandes massas.

Mas por que deveríamos acreditar em tudo isso? Embora Einstein tenha partido dos fatos, a sua construção matemática chegou a conclusões consideradas arriscadas. Não teria ele cometido erros? Sim, isso é possível, mas até agora ninguém os encontrou. Pelo contrário, os experimentos sempre confirmaram a teoria. A começar por aquele realizado pelo astrônomo britânico Arthur Eddington, que no ano 1919 organizou uma expedição à Ilha do Príncipe, ao lado da costa africana, para verificar (durante um eclipse) se realmente a massa do Sol encurvava os raios proveniente das estrelas.