Teoria da Relatividade Restrita

Dez anos antes de Einstein apresentar a teoria da Relatividade Geral à comunidade científica, o físico alemão já tinha formulado uma outra parte da teoria: a Relatividade Restrita ou Especial, explicada em 1905. Dizia que a velocidade da luz é constante para todos os observadores, algo que descobriu depois de reparar que ela não se alterava enquanto a Terra girava em torno do Sol. O que hoje parece um facto simples de entender foi um grande avanço para a física no princípio do século XX. Porquê?

Einstein apresenta a Teoria da Relatividade de em 1905. Créditos: Ann Ronan Pictures/Print Collector/Getty Images

Lembre-se da última vez que conduziu numa estrada com dois sentidos. Já todos reparámos que os carros que seguem no sentido contrário ao nosso parecem seguir em maior velocidade do que se conduzíssemos atrás deles. Tendo em conta esta analogia, os físicos acreditavam que a velocidade de todas as outras coisas dependiam sempre da direção em que o observador se move. Einstein veio desmentir esta suposição, dizendo que a velocidade da luz era sempre de 300 000 000 metros por segundo (no vácuo), para todos os observadores. Mesmo que eles próprios se movam a ritmos diferentes.

Que implicações tem esta conclusão? Imagine que está dentro de uma nave espacial que viaja a 99,99% da velocidade da luz pelo espaço fora e que decide ligar os faróis. O que vai acontecer é que para si, que está dentro da nave, a luz vai ligar-se imediatamente. Mas para um astronauta que esteja a mil anos-luz da si, a luz dos faróis só chegará cerca de 1000 anos depois de os ter ligado. E isto conduz a três outras conclusões:

• Apesar de a velocidade da luz ser constante, a perceção do espaço e do tempo não é a mesma para qualquer observador: ela é subjetiva. Para si, que viajava perto da velocidade da luz dentro de uma nave com 100 metros de comprimento, a perceção do tamanho da nave vai ser a real. Mas para um observador que esteja parado do lado de fora da nave a vê-la navegar, a nave parecerá ter apenas 1 metro de comprimento.
• O tempo passa mais devagar quanto mais rápido alguém andar. Se o seu irmão gémeo andar numa nave espacial a 99,99% da velocidade da luz em direção a uma estrela distante, ele voltará mais novo que o leitor, que ficou na Terra.
• A massa depende da velocidade. Quanto mais depressa um objeto se mover, mais massivo se tornará. Por isso é que nenhuma das naves de que falámos mais acima pode viajar realmente à velocidade da luz: a sua massa aumentaria infinitamente.

Todos estes princípios permitiram a Albert Einstein escrever a equação que expressa a relação entre velocidade, massa e energia: E = mc², onde c representa a velocidade da luz.

Movimento Browniano

O movimento browniano é o deslocamento aleatório das partículas em suspensão num meio fluído, introduzido pelo escocês Robert Brown. Enquanto explorava a fertilização de uma espécie de flores, o botânico reparou que os grãos de pólen oscilavam muito rapidamente quando suspensos dentro de água. Os cientistas começaram por achar que esses movimentos eram criados por correntes de convecção da água, que obrigavam as zonas mais quentes a subir e as mais frias a descer. No entanto, veio depois a verificar-se que algumas partículas moviam-se independentemente do efeito que essas correntes podiam criar.

Einstein na sua secretária em 1929. Créditos: ULLSTEIN BILD VIA GETTY IMAGES

Ao longo de várias décadas o mistério perdurou. Em 1877, os cientistas afirmaram que os movimentos independentes das partículas tinham origem térmica porque quanto maior a temperatura do líquido em que elas estão suspensas, mais depressa essas partículas se movem. A comunidade ficou convencida porque esta teoria obedecia estava de acordo com a Teoria Cinética da Matéria: a temperatura de um corpo depende da quantidade média de energia cinética (a que ele tem quando em movimento) das partículas que o compõem.

Foi então que Einstein entrou na discussão, em 1905. Tendo como base os princípios anteriores, o físico alemão afirmou que quanto mais pequena for uma partícula, menos plástico for o fluido e maior for a sua temperatura, maior o número de movimentos dessa partícula no mesmo intervalo de tempo. Mas que é possível calcular a probabilidade dessa partícula percorrer uma determinada distância num certo intervalo de tempo (ou seja, o deslocamento) através da Teoria Cinética. Foi então que se desenhou o “gráfico gaussiano”, cuja curva simboliza que “os deslocamentos aleatórios são a soma de variáveis estatisticamente independentes”. Neste caso, essas variáveis são as forças exercidas sobre as partículas que provocam o seu movimento.

Trocado por miúdos: imagine um balão gigante dentro de um estádio lotado. Como o balão é mesmo muito grande, ele vai permanecer sempre acima da multidão. Com as mãos, as pessoas vão empurrando o balão de um lado para o outro de modo aleatório. Mas agora imagine que o mesmo balão está num descampado com 41 pessoas: 20 do lado direito e 21 do lado esquerdo. Se todos exercerem a mesma força, o lado esquerdo do balão ficará sempre favorecido porque existem mais fontes de força. Este desequilíbrio é o que causa o movimento aleatório. Nesta metáfora, as pessoas representam as moléculas de água e o balão representa a partícula em suspensão.

“E então?”, perguntar-se-á. O movimento browniano permitiu a Einstein chegar ao seu verdadeiro propósito: provar que existem átomos com tamanho definido. E abriu novas portas à descoberta dos modelos atómicos e da física estática.

Efeito fotoelétrico

O ano de 1905 foi ouro sobre azul para Albert Einstein, que também conseguiu explicar perentoriamente o efeito fotoelétrico, uma descoberta casual feita por Heinrich Hertz em 1887. Hertz queria estudar o eletromagnetismo da luz, por isso lançava descargas elétricas com potências entre duas superfícies metálicas. Descobriu então que a faísca que uma descarga elétrica provocava outra na outra placa. Foi assim que veio a descobrir que a luz gera faísca graças à componente ultravioleta.

Albert Einstein em 1905, o seu Annus Mirabilis. Créditos: YouTube

Ainda antes de serem descobertos os eletrões (partículas com carga negativa que compõem o átomo), Wilhelm Hallwachs provou que os corpos metálicos expostos à luz ultravioleta adquiriam carga positiva. Foram Lenard e Wolf os dois cientistas que explicaram o fenómeno: quando a luz ultravioleta atinge a superfície de metal, algumas das suas partículas eram libertadas. Em 1889, Thomson continuou a explorar o efeito fotoelétrico: disse que ele consistia na “emissão de eletrões” e que a equivalência massa-energia das partículas (qualquer massa possui uma energia associada) emitidas pelo efeito é o mesmo que a dos eletrões.

Em 1905, Einstein explicou que cada partícula de luz – fotões – transfere toda a sua energia para um único eletrão, mesmo que existam outras partículas num feixe. Em suma, o que acontece? À volta do núcleo de um átomo (formado por neutrões e protões) está uma nuvem de eletrões que orbitam esse núcleo em vários níveis (dependendo do elemento). Quando atingido por um fotão, o eletrão é ejetado para um nível superior (a caminho da superfície do átomo) e vai perdendo energia até ficar livre. O que Einstein fez foi determinar que a do fotão é igual à soma da energia necessária para remover um eletrão com a energia cinética do eletrão emitido.

O que significa tudo isto? Que graças ao apuramento do funcionamento do efeito fotoelétrico podemos, por exemplo, desenvolver máquinas fabris que conseguem medir e construir peças sem a intervenção do homem.