Albert Einstein e a Teoria da Relatividade Restrita: a coragem de um físico

A Teoria da Relatividade Restrita surgiu para explicar porque o Eletromagnetismo era compatível com as

chamadas "Transformadas de Lorentz", do físico neerlandês Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) e não com as de Galileu Galilei (1564-1642). E como assim compatível? Essas  "transformadas" de Lorentz precisavam ser interpretadas, mas ninguém teve esse insight, ninguém pensou assim e a Teoria da Relatividade surgiu com o Einstein. Na verdade,  após o insight se precisaria ainda não só de muito estudo e trabalho como também de muita coragem!

E para este texto vale a pena recuar no tempo pois, digamos, estamos entrando em uma aventura na Física iniciada com Galileu Galilei.

Você realiza uma experiência  em um laboratório, sendo este o seu sistema de referência, o seu referencial, ao qual todos os fenômenos físicos devem ser observados, analisados e nada de fora dele ou de dentro irá influir nos resultados  obtidos do experimento. É o mesmo que considerar que nenhuma lei da Física será afetada por algo de fora ou de dentro do referencial. Como exemplo, um objeto sempre cairá em linha vertical em relação ao solo independente do local no laboratório ou do horário da queda. 

Ao mesmo tempo um outro laboratório passa próximo de você, com as leis da Física também válidas, tendo velocidade constante e retilínea "v" em relação ao seu. Não importa onde esses laboratórios estejam: a única diferença entre os dois é a velocidade "v"!

Algo curioso pode acontecer. Se o outro laboratório realizar o mesmo experimento que o seu e você o observar através de um telescópio, verá que os resultados obtidos serão diferentes, mas, se se descontar a velocidade "v", os resultados serão iguais!

Galileu, com fórmulas simples, conseguiu relacionar esses resultados de modo geral: qualquer experiência física de um laboratório, ou sistema de referência inercial, como são chamados tecnicamente, pode ter os seus resultados transformados para outro e vice-versa, lembrando sempre da condição da velocidade relativa entre ambos "v", retilínea e constante. Essas fórmulas simples de Galileu foram chamadas de "Transformadas de Galileu".

Durante séculos elas permaneceram viáveis para fenômenos mecânicos, de movimento, da Física Clássica, mas o físico britânico James Clerk Maxwell (1831-1879) na segunda metade do século XIX, apresentou simplesmente apenas quatro fórmulas, as Equações de Maxwell, descrevendo fenômenos elétricos, magnéticos e os dois juntos, o eletromagnetismo, colocando até a luz como uma propagação contínua e alternada de campos elétricos e magnéticos, ou seja, sua natureza descoberta até então como uma onda eletromagnética, mas, surpreendendo os físicos, essas equações não obedeciam às "Transformadas de Galileu".

Então os físicos naquela época correram atrás de "transformadas" para incluir as Equações de Maxwell, e, mais, elas deveriam abranger as de Galileu de alguma maneira, pois, tanto a Mecânica Clássica como o Eletromagnetismo estão baseadas em leis da Física, obrigatoriamente válidas para sistemas de referências se movendo com velocidade constante e retilínea "v", uns em relação aos outros.

Lorentz chegou nas "transformadas" mas a reação da comunidade científica foi de total espanto e incredulidade, porque, admiti-las teria que se admitir a contração de comprimentos de objetos com a velocidade, a dilatação temporal, na qual o tempo transcorreria diferentemente de um sistema para outro devido à velocidade entre eles, e mais um absurdo: a massa de um objeto aumentaria também com a velocidade. Fosse qual fosse a velocidade entre dois objetos, esses fenômenos nunca imaginados por alguém, teriam lugar em nosso universo. E muito mais: ninguém chegava em outra "transformada". Era demais para qualquer um! Houve muitas ridicularizações com Lorentz e seu trabalho a ponto de se publicar até pequenos textos em forma de poemas sobre o assunto supostamente  um absurdo. Foi aí que entrou para a história Albert Einstein! 

Ele postulou a veracidade das leis da Física nos sistemas de referência inerciais e considerou a velocidade da luz no vácuo uma constante universal, uma descoberta recente da época, não podendo ser acelerada ou diminuída em valor como os objetos materiais. Ela possui outras velocidades em meios diferentes como na água, no ar, no óleo, etc., mas isto era irrelevante aos propósitos de Einstein.

Em 1905 publica "Sobre a Eletrodinâmica dos corpos em movimento" constituído não só da Relatividade mas do Movimento Browniano, do Efeito Fotoelétrico e da equivalência entre massa e energia dos corpos, deduzindo a mais famosa fórmula da Física: E = mc^2.

São trabalhos fantásticos, de sua tese de doutorado, notáveis demais para eu não colocar aqui, e, antes de continuar o texto, resumirei cada um.

1 - O Movimento Browniano:

Einstein simplesmente mostrou uma das maiores evidências que átomos e moléculas existem, porque, pequenas e leves partículas como grãos de pólen, apresentam movimentos erráticos quando submersos em água. A única explicação é o choque aleatório das moléculas de água com eles.

Da Teoria Atômica de Dalton, do início da tabela periódica de Mendeleev em 1869 de 60 elementos, ou seja, de muitos indícios da existência de átomos e moléculas, a publicação de Einstein foi considerada uma das principais evidências que átomos e moléculas existiam realmente. E em 1908 o físico francês Jean Baptiste Perrin verificou experimentalmente esse fato a partir de Einstein, recebendo o Prêmio Nobel de Física em 1926.

2 - O Efeito Fotoelétrico:

Em 1900 o físico alemão Max Planck resolve o chamado "problema do corpo negro", no qual qualquer corpo a uma determinada temperatura emite  radiações eletromagnéticas de uma forma não explicada pelas equações de Maxwell. Planck resolve esse problema admitindo a energia das ondas como partículas. Muitos físicos da época o consideravam como um problema a ser resolvido pela Física de Maxwell, uma questão de tempo e, também achavam que tudo na Física já tinha sido descoberto. Grande engano. Einstein para resolver o problema fotoelétrico admite  como Planck a quantização da energia na qual partículas de energia, mais tarde batizados de fótons, retirava elétrons dos metais produzindo correntes elétricas. No Efeito Fotoelétrico, aumentando-se a energia das ondas, você retiraria esses elétrons até um determinado valor dessa mesma energia e não mais. A nova explicação era simples: mais fótons, mais elétrons, no qual a relação era sempre de um para um, porque um fóton não deslocava mais de um elétron e não existia o fato de um elétron retirar meio ou alguma fração de um fóton. Eles eram indivisíveis como Planck havia também considerado cinco anos antes.

3 - A equação E = mc^2:

Esta é a minha preferida. Ela é consequência das "Tansformadas de Lorentz" junto ao momento e a energia cinética do ponto de vista da Relatividade Restrita. Massa pode ser convertida em energia  e vice-versa. Apesar de ter levado os físicos à ideia de conversão de pequenas massas em energia de maneira  rápida, resultando em grandes explosões como se conseguiu nas bombas nucleares, a conversão lenta poderia produzir energia elétrica em reatores nucleares. Veja, a Europa e os EUA possuem uma população enorme de pessoas, gastam muita eletricidade e não possuem tantos rios como o Brasil. Se se retirar esses reatores repentinamente desses locais, o apagão será tão grande que o mundo ocidental entrará em um colapso de consequências catastróficas e irreversíveis. O nosso modo de viver aqui no Ocidente acabaria levando consigo bilhões de vidas pela fome e a pobreza. Por outro lado E = mc^2 não especifica qual o tipo de energia nela envolvida, ou seja, é de modo geral, qualquer uma, e a massa também. Quer dizer, certamente a matéria escura e a energia escura também serão passíveis de estudos de suas propriedades com essa equação. E também existe algo interessante em E = mc^2 nada comentado por aí: você consegue obter todos os tópicos da Física inteira por essa essa equação. Toda a Física (*).

A Relatividade Restrita é uma das, senão a teoria mais testada até hoje. Por mais energia colocada nos aceleradores de partículas, nenhuma chega à velocidade da luz e existem até faculdades para ensinar as construções desses enormes aparelhos. Em poucos segundos você utiliza a mesma energia elétrica de lâmpadas de uma cidade de pelo menos um milhão de habitantes, mas aquelas partículas tão leves, não atingem o que a luz atinge. E pela Física Clássica, uma diferença de potencial de aproximadamente 257.000 volts, seria suficiente para um elétron viajar à velocidade da luz. Voltagem muito fácil de se conseguir. (**)

Depois de tudo isso escrito até este momento por mim aqui, chega a vez de mostrar finalmente o que podemos considerar o ápice da genialidade de Einstein e não só isto, a sua coragem, com ele atirando contra a comunidade científica e muito mais como você verá. As "Transformadas de Lorentz" revelam um aspecto verdadeiro não só da Física, como de toda a natureza do mundo em que vivemos: o tempo é relativo, o espaço é relativo e a massa dos objetos também é relativa!

Agora, simplesmente e obrigatoriamente sairemos da Física. Esqueça as transformadas, esqueça as fórmulas, esqueça os conceitos, esqueça as intermináveis contas dos problemas físicos. O problema é muito, mas muito mais profundo: desde que o ser humano é ser humano no planeta, nós mesmos, há 300.000 anos, e desde crianças, fomos não só aprendendo com nossos pais, nas escolas, com pessoas mais velhas, etc., mas também percebendo por experiência própria, que o tempo deve se passar igualmente e no mesmo ritmo, em todos os lugares, sob quaisquer condições, que o comprimento dos objetos não muda, que um quilo possui um quilo em todas as balanças bem calibradas. Fatos arraigados fortemente  em nossos cérebros. Mas como um rapaz de apenas 25 anos, na tese de doutorado, uma pessoa anônima, diz não só à sua banca de examinadores mas ao mundo inteiro esquecer, aceitar que tudo logo acima está errado? Foi preciso muita coragem!

"As referências (*) e (**) estão abaixo e são artigos do meu grupo 'Artigos de Física e Matemática"':

(*) "A equação E = mc^2 como a base de toda a Física"

https://www.facebook.com/groups/424941321692611/?ref=share

(**) "Quantos volts seriam necessários, na Física Clássica, para acelerar um elétron na velocidade da luz?"

https://www.facebook.com/groups/424941321692611/?ref=share

Foto de Einstein e Lorentz em 1906 - Lorentz deve ter ficado muito feliz com Einstein por ter dado "vida" às suas "transformadas".