O estudo da física moderna pode ser bem frustrante, principalmente porque as teorias de relatividade e da mecânica quântica, quando vistas pela primeira vez, causam uma certa perplexidade e parecem contradizer nosso bom senso. Parecem absurdos e mais absurdos, mas tudo tem sua explicação científica, e razoavelmente bastante complexa.
Veja algumas das idéias que irmos discutir a seguir:
1) um objeto em movimento sofre uma contração de seu comprimento na mesma direção em que se move;
2) um relógio em movimento bate mais devagar;
3) massa e energia podem ser convertidas entre si;
4) não podemos determinar se os constituintes da matéria são ondas ou partículas;
5) ao observarmos um sistema físico influenciamos seu comportamento; não existe separação entre observador e observado;
6) a presença de matéria deforma a geometria do espaço e altera o fluxo de tempo;
7) não podemos determinar a posição de um objeto, apenas afirmar a probabilidade de ele estar aqui ou ali.
Parece ficção ou alguma frase do filme "Devolta para o Futuro", não parece?
Entretanto, na medida do possível, iremos discutir cada idéia mais adiante.
Infelizmente, o bom senso não nos ajuda muito a lidar com esses fenômenos. Isso torna as coisas difíceis, porque tendemos a nos basear no bom senso quando nos relacionamos com o mundo à nossa volta. Einstein define bom senso como "conjunto da todos os preconceitos que adquirimos durante nossos primeiros dezoito anos de vida".
O dicionário Webster define como "as opiniões de homens comuns", ou "julgamentos sólidos e prudentes mas, em geral, não muito sofisticados". Alternativamente, podemos dizer que o bom senso resulta do contato repetido com certas situações, sejam elas no nível emocional ou físico. De modo geral, a física clássica lida com situações mais palpáveis, como a lei da inércia (primeira lei de Newton), ou sobre as observações de Galileu sobre o movimento dos corpos em queda livre, que com um pouco de esforço, não é tão difícil de compreendermos que esses resultados fazem sentido.
No entanto, as coisas não são assim com a física moderna. À primeira vista, fenômenos relativísticos ou quânticos parecem bizarros porque estão muito além da nossa realidade imediata. Isso porque lidamos, neste caso, com objetos de escala atômica, ou não mais leves que estrelas e velocidades comparadas com a velocidade da luz. Nossa visão do mundo natural, portanto, é bastante limitada.
Com mentes abertas, o que antes parecia não fazer sentido torna-se fascinante.
- A luz está sempre em movimento
No final de sua vida, Einstein recordou-se da idéia (ou visão) que o levara à teoria da relatividade especial:
"Se eu viajar lado a lado com um raio de luz, com a velocidade c (velocidade da luz no vácuo), eu deveria observar esse raio como um campo eletromagnético em repouso, oscilando espacialmente [como uma corda de violão]. Entretanto, tal fenômeno é impossível, tanto de acordo com os experimentos quanto com as equações de Maxwell."
Essa situação parecia bastante paradoxal para o jovem Einstein. Afinal, de acordo com a física newtoniana, para alcançarmos uma onda que se move com uma dada velocidade, tudo o que devemos fazer é nos movermos um pouco mais rapidamente que a onda. Mais ainda, se nos movermos com a mesma velocidade da onda, esta parecerá em repouso, como todo surfista sabe. O mesmo deveria ser verdade, pois segundo a física newtoniana, não há nada de especial na velocidade da luz, o que não seria possível segundo a teoria de Maxwell, que diz que não existe um campo magnético em repouso: a luz está sempre em movimento. Algo tinha de ceder, e, no final, a idéia de que a velocidade da luz é como qualquer outra velocidade foi abandonada.
Vamos refletir um pouco sobre isso. Considere um trem se movendo para leste (-) com velocidade constante V em relação a um observador de pé na estação. A primeira coisa que percebemos, é que, para um passageiro sentado no trem, é a estação que se move para oeste (<-). Consegui visualizar? Então prosseguimos. Quando dizemos que um objeto está em movimento, sempre nos referimos a algo que não está se movendo com esse objeto, seja nós próprios, uma árvore ou uma estação de trem. Em outras palavras, o movimento existe sempre em relação a algum ponto de referência.
Agora imagine a seguinte situação (um experimento mental): um passageiro que está no trem está se movendo em direção ao vagão restaurante com velocidade v, indo para o leste (-) em relação ao passageiro sentado no trem. Para a pessoa na estação, o passageiro está viajando para o leste com velocidade V + v (-). É claro também, se o passageiro estivesse andando na direção oeste (<-), a pessoa na estação mediria sua velocidade como sendo V - v. Isso tudo faz sentido de acordo com o nosso bom senso e com a física newtoniana. O movimento do passageiro sentado no trem pode ser igualmente estudado pela pessoa sentada no trem coo pela pessoa na estação. Esse resultado é resumido no principio da relatividade, que diz que as leis da física são idênticas para passageiro se movendo com velocidade relativas constantes. Por exemplo, a energia conservada é constante.
O trem e a estação são referenciais inerciais. Para referenciais não inerciais, como um trem acelerando em relação à estação, precisamos de uma teoria mais completa, a teoria da relatividade geral.
Agora vem a parte mais interessante. Em vez de um passageiro andando, imagine que o passageiro que estava sentado se levanta e aponta uma lanterna na direção leste (-). "Fácil", você diz, "a luz da lanterna irá se mover com velocidade c ( c é a velocidade de propagação da luz no vácuo. Aproximadamente 300.000 km/s) em relação ao trem e com velocidade V + c em relação a pessoa na estação. Certo?" ERRADO! Se isso fosse verdade poderíamos imaginar uma situação em que o passageiro apontaria sua lanterna na direção oeste (<-) e , se a velocidade do trem na direção leste (-) fosse igual à velocidade da luz, então a pessoa na estação veria um raio de luz em repouso, em contradição frontal com a teoria de Maxwell, citada anteriormente. Mas então como a teoria de Maxwell pode ser reconciliada com o princípio da relatividade?
Como solução, Einstein sugeriu que a velocidade da luz no vácuo (espaço vazio) não é como qualquer outra velocidade, mas é especial; a velocidade da luz é a velocidade limite de processos causais na Natureza, a velocidade mais alta com que a informação pode viajar. Mais do que isso, a velocidade da luz é independente da velocidade de sua fonte. O passageiro segurando a lanterna mede a velocidade das ondas de luz produzidas pela lanterna como sendo c, assim como a pessoa que está de pé na estação.
Assim, a teoria de Maxwell pode ser reconciliada com o princípio da relatividade.
Em 1905, em seu brilhante manuscrito, Einstein construiu a fundação conceitual da teoria da relatividade especial a partir de dois postulados: 1) as leis da física são as mesmas para observadores movendo-se com velocidade relativa constante; 2) a velocidade da luz no espaço vazio é independente do movimento de sua fonte ou do observador. Esse segundo postulado é novo e, mesmo que possa soar muito inocente, ele tem conseqüências muito sérias para nossas noções newtonianas de espaço e tempo.