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Explicando a física por trás do filme Interestelar – Parte I

Física: Conceito e história — By on novembro 24, 2014 at 20:12

Buracos negros, buracos de minhocas, viagens no tempo e dilatação temporal. Estes são alguns fenômenos físicos que fazem parte do filme Interestelar, estreado recentemente nos cinemas. O filme é espetacular em efeitos especiais. No entanto, os conceitos físicos por trás destes fenômenos em geral não são claros para todo o público que assistiu ao filme. Este texto tem o objetivo justamente de apresentar os principais conceitos que podem implicar a existência dos fenômenos explorados em Interestelar.

Os fenômenos apresentados no filme são implicações inteiramente da teoria da relatividade especial (TRE – 1905) e da teoria da relatividade geral (TRG – 1915), ambas desenvolvidas pelo físico alemão Albert Einstein. A primeira foi desenvolvida com base em dois postulados e leva o termo “especial” por se limitar a sistemas físicos inerciais, ou seja, sistemas físicos que se movimentam com velocidade nula ou constante um em relação ao outro.

Antes de falarmos a respeito dos postulados da TRE, precisamos mostrar a necessidade básica de se formular esta nova teoria. Antes de 1905, os físicos entendiam o espaço como estando em repouso absoluto, ou seja, poderíamos sempre dizer que nosso carro está a 100 Km/h, por exemplo, em relação a um ponto do espaço, pois este estaria sempre em repouso. Este conceito de espaço é muito antigo, sendo que toda mecânica de Galileu e Newton se baseia neste princípio. Assumia-se, além disso, que as leis da física deveriam valer para qualquer ponto do universo, independentemente do estado de movimento do observador em relação ao sistema físico. Tal consideração é o que permite afirmarmos que um fenômeno realizado, por exemplo, no Brasil, apresente o mesmo resultado quando realizado no Japão ou em qualquer outro ponto do universo. O conjunto de equações que nos permite sair de um sistema inercial para outro na mecânica newtoniana é chamado transformações de Galileu. O exemplo mais simples disso é quando estamos andando dentro de um vagão de trem em movimento. Ambos somos sistemas inerciais, e nossa velocidade em relação a alguém parado fora do trem é nossa velocidade em relação ao trem mais a velocidade do trem em relação ao trilho.

Por outro lado, Maxwell, em meados do século XIX, formulou sua teoria eletromagnética que explicava fenômenos elétricos e magnéticos conhecidos. A teoria completa pode ser resumida em quatro equações, conhecidas como equações de Maxwell.  Nestas equações estão incluídos os campos elétricos e magnéticos, correntes elétricas, e o fato de que a luz é uma onda, formada por campos elétricos e magnéticos que se propagam no espaço. O problema surge quando tentamos sair de um sistema inercial para outro em um sistema eletromagnético. Usando as transformações de Galileu nas equações de Maxwell, estas últimas não permanecem as mesmas nos dois sistemas inerciais diferentes, o que implica em situações físicas diferentes. Dizemos então que as equações de Maxwell não são invariantes perante as transformações de Galileu. Portanto, as transformações que nos levavam de um sistema inercial para outro na mecânica não funcionava no eletromagnetismo.

O ponto principal que originou a TER foi abolir a ideia de espaço em repouso absoluto. Além disso, Einstein manteve o importante princípio de que as leis de toda a física (e não apenas a mecânica) deveriam ser as mesmas para qualquer sistema inercial. Considerando estas coisas, ele fez dois postulados:

  • Postulado da relatividade: As leis da física tem a mesma forma em todos os referenciais inerciais; 
  • Postulado da constância da velocidade da luz: A velocidade da luz é independente do movimento de sua fonte.

 Vemos que o primeiro postulado é uma reafirmação do que já era conhecido da mecânica de Galileu e Newton, mas agora expandido para toda a física, e não apenas a mecânica. O segundo postulado implica necessariamente a perda de um referencial em repouso absoluto, pois é a única forma de termos a velocidade da luz com a mesma velocidade em todos os referenciais.

Note a relevância do segundo postulado. Ele diz que, se tivermos um emissor de laser no vácuo a 100Km/h e este emitir um feixe de luz, a velocidade para alguém em repouso em relação ao emissor não será c (a velocidade da luz no vácuo) mais 100Km/h. Ela será de fato c. Ou seja, por mais rápido que a fonte de luz esteja, a velocidade da luz sempre será c, para todos os referencias inerciais.

Vimos aqui uma breve abordagem histórica da motivação principal que levou a construção da teoria da relatividade especial, e a principal quebra de paradigma entre as épocas pré e pós-TRE, ou seja, a perda do espaço em repouso absoluto. No próximo texto veremos algumas consequências destes dois postulados no que diz respeito ao filme Interestelar e abordaremos os pontos principais que levaram a elaboração da teoria da relatividade geral, em 1915.

Bibliografia:

Teoria da Relatividade Especial, R. Gazzinelli, Ed. Blucher – 2009.

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