Teoria da relatividade

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Disambiguation note.svg Desambiguação - "Relatividade" se refere aqui. Se você está procurando o princípio da relatividade, consulte Princípio da relatividade .
Negativo da placa de Arthur Eddington representando o eclipse solar de 1919, usado para demonstrar o desvio gravitacional da luz previsto pela relatividade geral

Em física, a teoria da relatividade significa um conjunto de teorias baseadas no princípio de que a forma das leis da física deve ser invariante à mudança do sistema de referência .

O primeiro princípio da relatividade foi formulado por Galileu a respeito da invariância das leis da mecânica clássica entre sistemas de referência inerciais em movimento relativo, princípio estendido por Einstein às leis do eletromagnetismo com a teoria da relatividade especial. O desenvolvimento da relatividade geral e o conseqüente princípio da covariância geral tornaram possível estender o princípio da relatividade também a sistemas de referência não inerciais . [1]

Relatividade galileana

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: a relatividade galileana e o princípio da inércia .

A ciência moderna parte do pressuposto fundamental, devido a Galileu Galilei , de que as leis da mecânica têm a mesma forma matemática com respeito a qualquer sistema de referência em que se aplique o princípio da inércia . Essa suposição, definida em 1609, é hoje chamada de princípio da relatividade de Galileu.

Do ponto de vista matemático, as transformações galileanas , ou seja, as equações que regem as mudanças nas coordenadas de um sistema de referência para outro que se relacionam com a relatividade galileana , com base na igualdade das leis da mecânica em todo referencial inercial se move com velocidade constante em comparação com o primeiro.

As transformações galileanas, válidas com excelente aproximação nos casos em que se pode supor que a velocidade da luz é infinita em relação a outras velocidades, como na mecânica clássica , não têm validade em outros campos, como por exemplo no eletromagnetismo .

Relatividade de Einstein

No final do século XIX, Ernst Mach e vários outros físicos entraram em confronto com os limites da relatividade galileana, não aplicáveis ​​aos fenômenos eletromagnéticos; entre estes, Hendrik Lorentz conseguiu obter transformações consistentes com o eletromagnetismo.

Representação espaço-temporal da relatividade especial

Albert Einstein se viu então diante de duas transformações: as de Galileu, válidas na mecânica clássica, e as de Lorentz, válidas para o eletromagnetismo, mas carentes de um suporte teórico convincente. A situação era muito insatisfatória, pois essas duas transformações e os princípios da relatividade associados a elas eram incompatíveis. Com Einstein a teoria da relatividade teve um novo desenvolvimento e hoje tendemos a associar o nome do físico alemão a essa teoria. Sua teoria consiste em dois modelos matemáticos distintos, chamados:

Relatividade restrita

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tema em detalhe: a relatividade restrita .

A relatividade especial, também chamada de relatividade especial, foi apresentada por Einstein com o artigo Zur Elektrodynamik bewegter Körper ( Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento ) de 1905 , para reconciliar o princípio da relatividade de Galileu, que inclui o princípio da composição das velocidades , com o equações de ondas eletromagnéticas , nas quais a velocidade da luz é expressa como uma constante, ou seja, independente do sistema de referência.

Anteriormente, para esse fim, foram propostas algumas teorias que se baseavam na existência de um meio de propagação das ondas eletromagnéticas, o éter , que viria a constituir um sistema de referência privilegiado; entretanto, nenhum experimento foi capaz de medir a velocidade de um corpo em relação ao éter. Em particular, graças ao experimento Michelson-Morley , foi mostrado que a velocidade da luz é constante em todas as direções, independentemente do movimento da Terra, não afetada pelo chamado vento de éter . A teoria de Einstein descartou completamente o conceito de éter, que não faz mais parte da física.

Os postulados da relatividade especial podem ser declarados da seguinte forma:

  • primeiro postulado ( princípio da relatividade ): todas as leis físicas são as mesmas em todos os sistemas de referência inerciais;
  • segundo postulado ( invariância da velocidade da luz ): a velocidade da luz no vácuo tem o mesmo valor em todos os sistemas de referência inerciais, independentemente da velocidade do observador ou da fonte.

É possível verificar que as transformações de Lorentz satisfazem o segundo postulado: se para um observador em um referencial inercial a velocidade da luz é c , o mesmo será para qualquer outro observador em um referencial inercial se movendo em relação à sua.

As leis do eletromagnetismo, na forma da eletrodinâmica clássica , não mudam sob as transformações de Lorentz e, portanto, satisfazem o princípio da relatividade.

Relatividade geral

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: relatividade geral .
Curvatura do espaço-tempo na relatividade geral

A teoria da relatividade geral foi apresentada como uma série de palestras na Academia Prussiana de Ciências , a partir de 25 de novembro de 1915 , após uma longa fase de elaboração. Há uma controvérsia de longa data sobre a publicação de equações de campo entre o matemático alemão David Hilbert e Einstein; no entanto, alguns documentos atribuem com segurança a primazia a Einstein.

O fundamento da relatividade geral é a suposição, conhecida como princípio de equivalência , de que uma aceleração é localmente indistinguível dos efeitos de um campo gravitacional e, portanto, que a massa inercial é igual à massa gravitacional. As ferramentas matemáticas necessárias para desenvolver a relatividade geral foram introduzidas anteriormente por Gregorio Ricci Curbastro ( 1853 - 1925 ) que basicamente introduziu o que hoje é conhecido como cálculo tensorial [2] .

Embora se mostre extremamente precisa ao longo do tempo, a relatividade geral se desenvolveu independentemente da mecânica quântica e nunca se reconciliou com ela, embora a física quântica pudesse incluir a relatividade especial. Os limites da relatividade geral são essencialmente o tratamento dos estados da matéria nos quais as interações gravitacionais e quânticas passam a ter a mesma ordem de magnitude, até as singularidades gravitacionais . Dentre as evoluções teóricas propostas, as mais conhecidas e investigadas são a teoria das cordas e a gravitação quântica em loop .

Observação

  1. ^ A expressão teoria da relatividade também é usada na linguagem comum para se referir às teorias da relatividade especial ou relatividade geral , como exemplos mais conhecidos do princípio da relatividade.
  2. ^ Biografias - Gregorio Ricci-Curbastro , em imss.fi.it. Recuperado em 18 de julho de 2010.

Bibliografia

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