A Teoria da Relatividade no cotidiano: exemplos surpreendentes

A Teoria da Relatividade de Albert Einstein explicou, como nenhuma outra, o comportamento de objetos e da luz no espaço e no tempo. Ela prevê a existência de buracos negros, a curvatura da luz ao redor de objetos massivos e muitos outros fenômenos.

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Os chamados efeitos relativísticos, como a dilatação do tempo em velocidades próximas à da luz ou em campos gravitacionais poderosos, foram previstos pela teoria do físico alemão. 

Embora a observação desses efeitos seja comum em objetos cósmicos, também podemos encontrá-los no dia a dia e em tecnologias modernas. Mas antes, vamos entender melhor como funciona a relatividade geral.

Teoria da Relatividade

Segundo a Teoria da Relatividade, não existe referencial absoluto, ou seja, as leis da física são as mesmas para todos os referenciais escolhidos pelo observador. Isso se aplica quando medimos grandezas como posição, velocidade, aceleração, campos eletromagnéticos e gravitacionais.

Além disso, Einstein descobriu que a velocidade da luz, de 300.000 km, é a mesma independentemente do referencial, ou seja, da posição ou velocidade do observador. Se estivermos em uma espaçonave quase à velocidade da luz, a luz que observamos vai ter o mesmo valor.

Isso pode parecer um pouco anti-intuitivo se pensarmos em uma corrida entre dois veículos. Para entender melhor, imagine dois pilotos, um a 100 km/h e outro a 115 km/h, enquanto somos observadores. No nosso referencial de plateia, essa é a velocidade dos veículos; do ponto de vista do primeiro piloto, seu adversário está a 15 km/h.

Agora imagine ambos os pilotos em naves no vácuo do espaço, a velocidades próximas à da luz, com feixes de luzes acesos. O raciocínio acima nos levaria a deduzir que, do ponto de vista do piloto mais lento, a luz do feixe de seu adversário estaria mais devagar do que os 300.000 km usuais, certo?

Bem, Einstein descobriu que a luz não se comporta assim. Mesmo que o piloto viaje a 99,999% da velocidade da luz, ao medir a velocidade do feixe luminoso de seu adversário, o resultado seriam os mesmos 300.000 km que ele mediria com sua nave parada.

Essa teoria implica que, quanto mais depressa um corpo se move, mais devagar o tempo passa para ele (algo chamado de dilatação do tempo) e mais sua dimensão no espaço se reduz devido à contração espacial.

Com esses conceitos em mente, confira alguns exemplos da teoria presentes no dia a dia:

1. Geradores de energia

A Teoria da Relatividade está por trás de um dos princípios dos fenômenos magnéticos e podemos observá-los em objetos simples, como os eletroímãs. Se um fio é movido através de um campo magnético (o que pode ser feito por forças mecânicas), ele gera uma corrente elétrica.

Do mesmo modo, se o fio estiver em repouso e o ímã em movimento, as partículas carregadas no fio não vão estar em movimento intuitivamente. Poderíamos até pensar que não haveria produção de energia, mas estaríamos errados. O fato de um campo magnético variável também criar uma corrente elétrica evidencia a ausência de um quadro de referência, conforme prevê a teoria.

2. GPS

Se os cientistas não considerassem o efeito de dilatação do tempo da relatividade geral no sistema de navegação GPS, os satélites não conseguiriam a sincronização de tempo necessária para obtermos dados precisos.

É que os satélites usam relógios com precisão de nanossegundos e viajam a 10.000 km/h, sofrendo dilatação relativística do tempo de 4 microssegundos por dia. Além disso, a massa da Terra cria um efeito de arrasto gravitacional no próprio tecido do espaço-tempo, algo também previsto por Einstein.

Então, sem usar os princípios da Relatividade Geral, haveria no total um déficit de 7 microssegundos, e o GPS de nossos dispositivos móveis informaria que falta 0,8 km para lugares a 8 km de distância. Essa diferença ocorreria em apenas um dia, sendo cumulativa.

3. Resistência do ouro à corrosão

Já percebeu que o ouro não reage facilmente com outros elementos e nem se corroi? A explicação para isso está no efeito relativístico em seus elétrons. Os números atômicos elevados do ouro causariam uma atração nos dois elétrons do primeiro subnível energético; cada subnível é ocupado por elétrons com energia correspondente. Para evitar isso, os primeiros elétrons de um átomo de ouro atingem velocidades próximas a 60% da velocidade da luz.

Por outro lado, isso aumenta a massa dos elétrons, contrai seu comprimento (contração espacial) e reduz o raio da órbita eletrônica em torno do núcleo. Por fim, essas órbitas ficam mais próximas do núcleo atômico, reduzindo a probabilidade de reação química com outros materiais.

4. Cor do ouro

Os mesmos efeitos descritos acima também conferem ao ouro a coloração dourada. Isso ocorre porque os elétrons nos orbitais internos, ao atingir velocidade relativística (próxima à da luz), carregam energia mais próxima daquela dos elétrons externos — que, via de regra, são mais energéticos.

No ouro, os orbitais 5d e 6s ficam mais próximos um do outro do que o esperado, e as absorções de fótons entre eles são alteradas. O resultado é que este metal passa a absorver mais radiação azul do que o normal, emitindo mais da sua cor complementar: o amarelo. Sem usar o efeito relativístico nos elétrons do ouro, os cálculos indicam que ele apresentaria cor prateada.

5. Propriedades do mercúrio

Os efeitos relativísticos também podem ser observados no mercúrio. Trata-se de um elemento curioso: ele se torna líquido tanto à temperatura ambiente quanto a -38 ºC, por exemplo. Devido à maior proximidade dos elétrons junto ao núcleo, o material geralmente se apresenta como átomos isolados.

6. TVs de tubo

As TVs que usávamos no século passado eram nada menos do que aceleradores de partículas. No interior dos tubos, os elétrons eram disparados a 30% da velocidade da luz em uma superfície de fósforo, e cada um deles formava um pixel das imagens de nossos programas favoritos.

Só que, para o aparelho funcionar, os fabricantes tinham de considerar os efeitos relativísticos previstos por Einstein por causa da velocidade relativística dos elétrons.

7. Estrelas

O Sol e outras estrelas são grandes reatores de fusão nuclear, que só funcionam devido aos princípios da relatividade geral. Mais especificamente, a produção de energia de uma estrela se dá pelo fenômeno descrito na equação E = mc², que explica a conversão de massa em energia e vice-versa.

No núcleo das estrelas, as temperaturas e pressões intensas “esmagam” os átomos de hidrogênio até se fundirem em hélio. No processo, parte da massa dessas partículas é convertida em energia emitida na forma de radiação, ou seja, luz.