Relatividade Restrita

Parece-me que é conveniente antes de mais definir relatividade. Segundo um dicionário comum, irá ler-se que é sinónimo de relatividade: condicionalidade, ou seja, algo está condicionado a alguma coisa, ou usando o conceito em causa: algo é relativo a… Passando para a Física surgem as questões: quando e a quem é que é relativo? O quê que é relativo? Porquê que é relativo?

• Quando e a quem é que é relativo?

Existe relatividade se houver dois observadores com movimento diferente entre si. Basta pensar que vamos na auto-estrada a 120km/h e um idiota vai a 200km/h. Intuitivamente dizemos que esse idiota vai a 80km/h a mais que nós, portanto vai a 80km/h relativamente a nós. É importante compreender que nós assimilamos o mundo através do nosso corpo, pelo que, obviamente, estamos sempre parados em relação a nós mesmos. Deste modo é tão correcto ir de carro e o senhor guarda que está parado afirmar que passámos por ele a 130km/h, como será também correcto do nosso ponto de vista dizermos que ele é que passou por nós a 130km/h. O referencial que se escolhe é fundamental. O senso comum, por uma questão de simplicidade, assume sempre como referencial o planeta Terra e que este sim está em repouso (parado) e como tal os movimentos que se façam, medem-se em relação a este. Isto é tão correcto quanto pensarmos que o referencial não é a Terra, mas sim nós próprios e como tal, se eu dou um passo em frente, neste referencial terá tudo andado um “passo” para trás. Isto parece absurdo, mas parece-o apenas porque estamos “fixados” no conhecimento empírico e, portanto, não vemos o fenómeno deste modo. Cientificamente é igualmente correcto – não existem referenciais privilegiados.

• O que é que é relativo e porquê que o é?

Pensando apenas na relatividade de Galileu, que corresponde exactamente a uma situação como aquela da auto-estrada antes referida: tem-se que a velocidade é relativa, pois se eu estiver parado ao pé da auto-estrada vejo o idiota a circular a 200km/h, se estiver a conduzir a 120km/h, vejo o idiota a ultrapassar-me com 80km/h (a mais – relativamente a mim). Isto vai implicar uma coisa óbvia: partindo do pressuposto que o tempo é absoluto, se existe diferente velocidade consoante o referencial e se a velocidade é igual ao espaço percorrido sobre o tempo despendido para o percorrer, isto implica que também o espaço tem que ser relativo! No entanto, isto são apenas transformações simples, sem nenhuma imposição “transcendente”, pelo que, como é óbvio, as distâncias espaciais são invariantes, segundo este modelo (que se aplica perfeitamente para velocidades reduzidas). (Em suma, é apenas matemática.)

Felizmente para os físicos, o trabalho da relatividade não acabou aqui: as leis deduzidas por Maxwell que explicam os fenómenos electromagnéticos não seguiram este modelo, isto porque previam que a velocidade da luz era uma constante independente do referencial e todas as experiências confirmavam isto. Por exemplo, se estivéssemos parados e viesse um raio de luz do Sol e lhe medíssemos a velocidade, esta seria c (~300 000km/s), mas se voltássemos a repetir a experiência dando um salto com velocidade x (é claro que esta formulação não é a mais correcta, mas no contexto isso não é relevante), a velocidade da luz medida agora não seria c-x (como previa a relatividade de Galileu), mas seria igualmente c!

Estamos, então, já na posse dos dois postulados fundamentais da Relatividade Restrita de Einstein proposta em 1905:

As leis da Física não variam com o sistema de coordenadas usado – são independentes do referencial escolhido (tem a condicionante que o referencial tem que ser inercial, ou seja, a sua velocidade tem que ser uma constante – zero incluído, pois uma aceleração já irá ter outras implicações, explicadas pela Relatividade Geral); e a velocidade da luz no vácuo é constante, independentemente do referencial escolhido, ou seja, quer este esteja em movimento, quer esteja em repouso.

Isto vai implicar que também o tempo tenha que ser relativo e não absoluto como afirmara Galileu. Porquê? Vejamos o seguinte exemplo:

Consideremos um sistema (idealizado) constituído por dois espelhos paralelos distanciados de uma distância d, em que se supõe que parte um feixe luminoso com uma cor definida que se veja (comprimento de onda no visível) de um espelho para o outro, segundo uma perpendicular a ambos os espelhos. Em seguida, colocamos este sistema a movimentar-se a uma velocidade bastante elevada de modo a que um observador em repouso veja não o feixe a passar na perpendicular, mas sim segundo uma direcção oblíqua. No entanto, se formos à mesma velocidade que o sistema, o que vemos é a perpendicular esperada, visto que o sistema estará em repouso em relação a nós. Temos então que no caso da perpendicular, a velocidade da luz c será igual ao espaço percorrido d sobre um tempo t1 despendido pelo feixe para percorrer esse espaço, ou seja, c=d/t1. Do mesmo modo, no caso da oblíqua, a velocidade da luz c será igual à distância percorrida x – uma diagonal que é obviamente superior a d, sobre um tempo despendido t2, ou seja, c=x/t2. Já se deverá estar a fazer luz: c é invariante, logo se a distância mudou, o tempo também terá que mudar, ou seja, t1 é diferente de t2. No entanto, ambos os tempos correspondem ao “mesmo” intervalo de tempo entre os dois mesmos eventos: em qualquer dos casos, o raio de luz sai do espelho inferior num dado instante, e deve chegar ao espelho superior num outro instante bem definido, não fazendo sentido que haja duas histórias distintas, se estivermos a olhar para o relógio estando nós parados, ou estando nós a mover-nos à mesma velocidade que a dos espelhos. Quando ouvem isto, é usual os leigos acharem que o indivíduo que está parado é que está a ser enganado por um efeito de óptica – pensam que não existe qualquer diagonal. Tal não é verdade, ele está tão correcto quanto o outro, cada um usou as leis da Física que conhece do mesmo modo, supondo que o seu referencial era adequado, o que é sem dúvida verdade, tendo em conta os postulados da Teoria da Relatividade Restrita.

Uma consequência disto é que acontecimentos simultâneos para um observador, poderão não o ser para outro! É evidente que isto não é passível de ser observado no quotidiano, visto que as velocidades que usamos nos nossos “referenciais” são todas elas bastante reduzidas, nada comparáveis à velocidade da luz. Ainda assim, poderemos pensar numa famosa “experiência mental” proposta pelo próprio Einstein:

Consideremos a existência de uma fonte de luz (por exemplo, o Sol) e um comboio a movimentar-se a uma velocidade muito elevada. Supondo que conseguimos tirar uma foto de um raio luminoso que chegue a uma extremidade do comboio (à sua frente) e outro raio que “atinja” a outra extremidade do comboio (a parte de trás), e supondo que ambos os raios partiram ao mesmo tempo da fonte luminosa, será de prever que o observador que está parado veja os raios a chegar a ambos os locais em simultâneo. Passemos agora para a perspectiva do viajante que dentro do comboio (digamos que está posicionado a meio do comboio): como o comboio vai a uma velocidade muito grande, o raio que “atinge” a frente do comboio irá chegar primeiro ao observador que o raio que “chega” à parte de trás do comboio (e que reflecte em direcção aos olhos/máquina fotográfica do observador). Significa então que um observador vê acontecimentos simultâneos e o outro não! E mais uma vez, ambos os observadores estão correctos. Talvez seja conveniente explicar um pouco melhor a observação do utilizador em movimento (se compreendeu, passe à frente): uma pessoa vê a luz que lhe chega aos olhos, portanto o que acontece é o seguinte: um raio luminoso chega à frente do comboio e é reflectido em todas as direcções, na parte de trás do comboio sucede o mesmo: mas como o observador vai em direcção à frente do comboio (por causa do movimento deste) a luz para chegar a ele vinda daqui, terá que percorrer um menor espaço do que a luz que parte de trás, dado que nesse caso o observador vai a “fugir”, pelo que a luz terá que percorrer uma distancia maior, logo demorará mais a lá chegar, relativamente ao impulso luminoso da frente. O leitor sagaz poderá estar a pensar que se o observador que está no comboio não estivesse a meio, poderia eventualmente escolher uma posição onde os eventos fossem simultâneos, ou seja, mais próximo da parte de trás do comboio, para “compensar” a velocidade deste. Isto não é verdade: todos os observadores dentro do comboio estão sujeitos à mesma velocidade, (ou seja, estão no mesmo referencial), logo todos eles irão concordar quanto à determinação dos tempos (terão simplesmente que fazer umas “contas” para que o facto de estarem em diferentes posições não os “engane”).

(Alguma Matemática, quem não gostar, pode passar à frente*)

Resolvendo as matemáticas associadas, de modo a que tudo seja válido segundo os postulados, obtêm-se umas equações muito simples que descrevem esta distorção temporal:

com:

em que t é o tempo (medido) pelo observador em repouso, to é o tempo do observador em movimento a uma velocidade v, e c, como dito anteriormente, é a velocidade da luz.

Do mesmo modo também se pode fazer as “contas” para a distorção no espaço (contracção espacial): 

em que L é o comprimento medido pelo observador em repouso e Lo o comprimento medido pelo observador em movimento (mas em repouso em relação ao comprimento do objecto medido, a este comprimento dá-se o nome de “comprimento próprio”).

Olhando para as expressão matemáticas e sabendo que a velocidade v é sempre menor que a velocidade da luz c (visto que esta é inultrapassável), é fácil deduzir que a letra gama será sempre superior a 1 (aproximadamente 1 quando a relatividade não é relevante, ou seja, quando v é reduzido), visto que v/c é um número menor que 1 (tipicamente muito menor), pelo que essa quantidade (ao quadrado) subtraída a 1 dará um número maior que zero, mas sempre menor que 1, bem como a sua raiz, pelo que fazendo o inverso tem-se um número superior a 1.

*Isto implica que o tempo medido pelo observador em repouso será maior que o tempo do que viaja, o que significa que o relógio do que passeia atrasa relativamente ao que fica parado. Este facto já foi confirmado experimentalmente! Um “paradoxo” muito conhecido relacionado com este facto é o “paradoxo dos gémeos”, em que se um dos gémeos ficar em repouso na Terra e o outro for passear a uma velocidade bastante elevada (quando digo bastante elevada, convém que seja na ordem dos 90%, ou mais, da velocidade da luz, para que se note uma distorção substancial), quando se voltarem a encontrar, o gémeo que ficou parado será mais velho que o seu irmão que nasceu no mesmo dia!

Analisando a expressão para o espaço, advém a “contracção espacial”, pois como desta vez o γ está em denominador, isso significa que quando v é grande, logo γ também é grande, o que faz diminuir L em relação a L0, ou seja, o observador em repouso vê objectos a contraírem-se quando estes andam a elevada velocidade. A mesma “imagem” irá ter aquele que vai a viajar, pois no referencial dele os outros é que se movem.

Legenda: “O ciclista parece ser inacreditavelmente magro (comprimido).”

O ciclista estará evidentemente a viajar a uma velocidade próxima da da luz.

Legenda: “À medida que ele ganha velocidade, os quarteirões da cidade tornam-se algo pequenos.”

Analisando as expressão para velocidades muito pequenas (caso não relativístico, ou seja, onde a relatividade é desprezável), temos que v / c será um número reduzido, bem como o seu quadrado, pelo que ao se subtrair esse número a 1, fica aproximadamente 1, ou seja, o γ será 1. Assim as distâncias e tempos não sofrem qualquer alteração, tal como estamos habituados no nosso quotidiano.