8 maneiras de ver a Teoria da Relatividade de Einstein na vida real

A relatividade é uma das mais famosas teorias científicas do século XX, mas como isso explica as coisas que vemos na nossa vida diária?

Formulado por Albert Einstein em 1905, a teoria da relatividade é a noção de que as leis da física são as mesmas em toda parte. A teoria explica o comportamento dos objetos no espaço e no tempo, e pode ser usado para prever tudo, desde a existência de buracos negros até a flexão da luz devido à gravidade, ao comportamento do planeta Mercúrio em sua órbita.

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A teoria é enganosamente simples. Em primeiro lugar, não existe um quadro de referência “absoluto”. Cada vez que você mede a velocidade de um objeto, ou seu momento, ou como experimenta o tempo, está sempre em relação a outra coisa. Em segundo lugar, a velocidade da luz é a mesma, não importa quem mede ou quão rápido a pessoa que mede está indo. Em terceiro lugar, nada pode ir mais rápido do que a luz.

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As implicações da teoria mais famosa de Einstein são profundas. Se a velocidade da luz é sempre a mesma, significa que um astronauta indo muito rápido em relação à Terra irá medir os segundos passando mais lentamente do que um observador da Terra – o tempo essencialmente diminui para o astronauta, um fenômeno chamado dilatação do tempo.

Qualquer objeto em um campo gravitacional grande está acelerando, assim também experimentará dilatação do tempo. Enquanto isso, a espaçonave do astronauta experimentará uma contração de comprimento, o que significa que se você tirasse uma foto da espaçonave enquanto ela voava, ela ficaria como se estivesse “esmagada” na direção do movimento. Para o astronauta a bordo, no entanto, tudo parece normal. Além disso, a massa da nave espacial pareceria aumentar do ponto de vista das pessoas na Terra.

Mas você não precisa necessariamente de uma nave espacial aproximando-se da velocidade da luz para ver os efeitos relativísticos. Na verdade, existem vários exemplos de relatividade que podemos ver em nossas vidas diárias, e até mesmo tecnologias que usamos hoje, que demonstram que Einstein estava certo. Aqui estão algumas maneiras de ver a relatividade em ação.

1 – Sistema de posicionamento global (GPS)

Para que a navegação GPS do seu carro funcione com a mesma precisão, os satélites têm que ter em conta os efeitos relativísticos. Isso ocorre porque, embora satélites não estão se movendo em nada perto da velocidade da luz, eles ainda estão indo muito rápido. Os satélites também estão enviando sinais para estações terrestres na Terra. Estas estações (e a unidade GPS em seu carro) estão experimentando acelerações mais altas devido à gravidade do que os satélites em órbita.

Para obter essa precisão pontual, os satélites usam relógios que são precisos a alguns bilionésimos de segundo (nanossegundos). Uma vez que cada satélite está a 20.300 quilômetros acima da Terra e se movem a cerca de 6.000 milhas por hora (10.000 km / h), há uma dilatação do tempo relativo que adere em cerca de 4 microssegundos por dia. Adicione nos efeitos da gravidade e a figura sobe para cerca de 7 microssegundos. Isso é 7.000 nanossegundos.

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A diferença é muito real: se os efeitos relativísticos não forem levados em conta, uma unidade GPS que lhe diz que falta meia milha (0,8 km) para o próximo posto de gasolina estaria fora de posição 5 milhas (8 km) em apenas um dia.

2 – Eletroímãs

O magnetismo é um efeito relativístico, e se você usa a eletricidade, pode agradecer a relatividade pelo fato de que os geradores funcionam.

Se você fazer uma espiral de fio e movê-lo através de um campo magnético, você gera uma corrente elétrica. As partículas carregadas no fio são afetadas pela mudança do campo magnético, o que força o movimento de alguns deles, criando a corrente.

Mas agora, imagine o fio em repouso e imagine que o ímã está se movendo. Neste caso, as partículas carregadas no fio (os elétrons e os prótons) não estão se movendo mais, assim que o campo magnético não deve os afetar. Mas ele afeta, e uma corrente ainda flui. Isso mostra que não há um quadro de referência privilegiado.

Thomas Moore, professor de física no Pomona College em Claremont, na Califórnia, usa o princípio da relatividade para demonstrar por que a Lei de Faraday, que afirma que um campo magnético em mudança cria uma corrente elétrica, é verdadeira.

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“Uma vez que este é o principal princípio por trás de transformadores e geradores elétricos, quem usa eletricidade está experimentando os efeitos da relatividade”, disse Moore.

Os eletroímãs funcionam também através da relatividade. Quando uma corrente contínua (DC) de carga elétrica flui através de um fio, os elétrons estão derivando através do material. Normalmente, o fio pareceria eletricamente neutro, sem carga líquida positiva ou negativa. Essa é uma conseqüência de ter aproximadamente o mesmo número de prótons (cargas positivas) e elétrons (cargas negativas). Mas, se você colocar outro fio ao lado dele com uma corrente DC, os fios atraem ou repelem uns aos outros, dependendo de qual direção a corrente está se movendo.

Assumindo que as correntes estão se movendo na mesma direção, os elétrons no primeiro fio vêem os elétrons no segundo fio como imóveis. (Isso pressupõe que as correntes têm a mesma intensidade). Enquanto isso, da perspectiva dos elétrons, os prótons em ambos os fios parecem estar se movendo. Devido à contração de comprimento relativista, eles parecem estar mais próximos, portanto há mais carga positiva por comprimento de fio do que carga negativa. Desde que cargas iguais repelem, os dois fios também repelem.

Correntes em direções opostas resultam em atração, porque do ponto de vista do primeiro fio, os elétrons no outro fio estão mais lotados, criando uma carga negativa líquida. Enquanto isso, os prótons no primeiro fio estão criando uma carga positiva líquida, e cargas opostas se atraem.

3 – A cor amarela do ouro

A maioria dos metais são brilhantes porque os elétrons nos átomos saltam a diferentes níveis de energia, ou “orbitais”. Alguns fótons que atingem o metal são absorvidos e re-emitidos, embora em um comprimento de onda mais longo. A maioria das luzes visíveis, no entanto, fica refletida.

O ouro é um átomo pesado, então os elétrons internos estão se movendo rápido o suficiente para que o aumento de massa relativística seja significativo, bem como a contração de comprimento. Como resultado, os elétrons estão girando ao redor do núcleo em caminhos mais curtos, com mais ímpeto. Os elétrons nos orbitais internos carregam a energia que é mais próxima à energia de elétrons exteriores, e os comprimentos de onda absorvidos e refletidos são mais longos.

Comprimentos de onda de luz longos significam que parte da luz visível que normalmente seria apenas refletida é absorvida, e a luz está na extremidade azul do espectro. A luz branca é uma mistura de todas as cores do arco-íris, mas no caso do ouro, quando a luz começa s ser absorvida e re-emitida os comprimentos de onda são geralmente mais longos. Isso significa que a mistura de ondas de luz que vemos tende a ter menos azul e violeta nele. Isso faz com que o ouro apareça de cor amarelada, uma vez que a luz amarela, laranja e vermelha é um comprimento de onda maior que o azul.

4 – O ouro não corrói facilmente

O efeito relativístico sobre os elétrons do ouro é também uma das razões que o metal não corrói ou reage com qualquer outra coisa facilmente.

O ouro tem apenas um elétron em sua casca externa, mesmo assim não é tão reativo como cálcio ou lítio. Em vez disso, os elétrons no ouro, sendo “mais pesados” do que deveriam ser, são todos mais próximos do núcleo atômico. Isto significa que não é provável que o elétron mais externo esteja em um lugar onde possa reagir com qualquer coisa, é mais provável estar entre seus colegas elétrons que são próximos ao núcleo.

5 – Mercúrio é um líquido

Semelhante ao ouro, o mercúrio tem também um átomo pesado, com elétrons mantidos próximos ao núcleo por causa de sua velocidade e consequente aumento de massa. No mercúrio, as ligações entre os seus átomos são fracas, de modo que o mercúrio funde a temperaturas mais baixas e é tipicamente um líquido quando o vemos.

6 – Sua TV antiga

Apenas a alguns anos atrás, a maioria dos televisores e monitores tinham telas de tubo de raios catódicos. Um tubo de raios catódicos funciona disparando elétrons em uma superfície de fósforo com um grande ímã. Cada elétron faz um pixel iluminado quando bate a parte traseira da tela. Os elétrons dispararam para fazer a imagem se mover em até 30 por cento a velocidade da luz. Efeitos relativísticos são perceptíveis, e quando os fabricantes moldaram os ímãs, eles tiveram que levar esses efeitos em conta.

7 – A luz

Se Isaac Newton tivesse razão ao supor que havia um quadro de repouso absoluto, teríamos que apresentar uma explicação diferente para a luz, porque isso não aconteceria de forma alguma.

“Não só o magnetismo não existiria, mas a luz também não existiria, porque a relatividade exige que as mudanças em um campo eletromagnético se movam a uma velocidade finita em vez de instantaneamente”, disse Moore, do Pomona College. “Se a relatividade não impusesse esta exigência … as mudanças nos campos elétricos seriam comunicadas instantaneamente … em vez de através de ondas eletromagnéticas, e tanto o magnetismo quanto a luz seriam desnecessários”.

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8 – Centrais nucleares e supernovas

A relatividade é uma razão que a massa e a energia podem ser convertidas uma na outra, que é como as centrais nucleares funcionam, e porque o sol brilha. Outro efeito importante é nas explosões de supernovas, que sinalizam a morte de estrelas maciças.

“[Supernovas] existem porque os efeitos relativísticos superam os efeitos quânticos no núcleo de uma estrela suficientemente maciça, permitindo que ela de repente colapse sob seu próprio peso até que se torne uma estrela de nêutrons muito menor e mais dura”, disse Moore.

Em uma supernova, as camadas externas de uma estrela desmoronam no núcleo e criam uma gigantesca explosão que, entre outras coisas, cria elementos mais pesados que o ferro. Na verdade, quase todos os elementos pesados que estamos familiarizados são feitos em supernovas.

“Nós somos feitos de coisas criadas e dispersas por [supernovas]”, disse Moore. “Se a relatividade não existisse, mesmo as estrelas mais massivas terminariam suas vidas como anãs brancas, nunca explodindo, e não estaríamos por perto para pensar sobre isso”.

Fonte: Live Science