A Teoria da Relatividade Especial é tipo um "Manual de Instrução do Universo"?

A Teoria da Relatividade Especial de Einstein (1905) não é exatamente um "Manual de Instrução do Universo", mas é uma das ferramentas mais poderosas que temos para entender como o cosmos funciona em altas velocidades e na ausência de intensa gravidade.

Por que ela é tão importante?

• Revolucionou conceitos básicos como espaço, tempo, massa e energia.
• Unificou eletromagnetismo e mecânica sob novas regras.
• Mostrou que tempo e espaço são relativos (dependem do observador).
• Introduziu a famosa equação E = mc2, que relaciona massa e energia.

Mas... é um "manual completo"?
Não exatamente, porque:

• Ela não explica gravidade (a Relatividade Geral faz isso).
• Não incorpora a mecânica quântica (o mundo das partículas subatômicas).
• O Universo tem outros "manuais" (como a Termodinâmica, a Física Quântica etc.).

Então, seria mais como...
Um "Capítulo Essencial do Manual" — um que mudou para sempre nossa visão da realidade. Se você quer entender como o Universo funciona em altas velocidades (próximo da luz), essa teoria é fundamental.

Um exemplo bizarro dela em ação?
Se você viajar quase à velocidade da luz, o tempo passa mais devagar para você do que para quem ficou na Terra (dilatação temporal).

Outros manuais de instrução: LINKS
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O espaço-tempo de Minkowski

Hermann Minkowski (1864 - 1909), matemático lituano-alemão.

Em 1908, Minkowski apercebeu-se de que a teoria da relatividade especial, introduzida pelo seu antigo aluno Albert Einstein, em 1905, e baseada no trabalho anterior de Lorentz e Poincaré, podia ser melhor compreendida num espaço tetradimensional, desde então conhecido como o "espaço de Minkowski" ou o "espaço-tempo de Minkowski", no qual o tempo e o espaço não são entidades separadas, mas sim misturadas num espaço-tempo tetradimensional.

Capa de "The Principle of Relativity", de A. Einstein e H. Minkowski, uma coleção de artigos originais sobre a teoria especial e geral da Relatividade. O presente livro destina-se, tanto quanto possível, a dar uma visão exata da teoria da Relatividade aos leitores que, de um ponto de vista científico e/ou  filosófico geral, estão interessados na teoria, mas não estão familiarizados com o aparato matemático da física teórica.

(https://mastodon.social/@gutenberg_org/111742380004084392)

A expansão cósmica

O primeiro uso em inglês da palavra space (espaço) para conotar a expansão cósmica aparece na linha 650 do Livro I do poema épico de John Milton "Lost Paradise" (Paraíso Perdido): "Space may produce new Worlds".
O espaço pode produzir novos mundos, escreveu ele. E crescer repleto deles.
Nos séculos desde Milton, que viveu a aurora dourada da astronomia telescópica e viajou à Itália para observar através do telescópio de Galileu, a nossa compreensão do espaço mudou profundamente - já não é o vazio etéreo das cosmogonias religiosas, mas sim um tecido de energia e matéria. atado de forças, um tecido cujo fio da urdidura é o tempo. Esta rede de espaço-tempo diz à matéria como se mover, e a matéria puxada pela gravidade diz ao espaço-tempo como se curvar - tal é o resumo mais simples da revolucionária teoria da relatividade geral de Einstein, da qual surgiu a matemática das criações mais estranhas e encantadoras da natureza: os buracos negros, as ondas gravitacionais, os buracos de minhoca e as singularidades.

Arte de Lia Halloran em "The Warped Side of Our Universe" (O Lado Distorcido de Nosso Universo)

(http://www.themarginalian.org/2023/10/31/the-warped-side-of-our-universe-lia-halloran-kip-thorne/)

A dilatação do tempo

Viajando a 99,999999% da velocidade da luz, você poderia, em princípio, viajar para o centro da galáxia e voltar em cerca de 7 anos. No entanto, observadores na Terra experimentariam um tempo muito maior: 52.000 anos. A dilatação do tempo é um conceito da relatividade especial.
A dilatação do tempo descreve como o tempo parece passar de forma diferente para dois observadores que estão em movimento um em relação ao outro. Isso ocorre porque as leis da física, incluindo a velocidade da luz, são as mesmas para todos os observadores, independentemente de seu movimento relativo.
Aqui está um vídeo da série "Cosmos", de Carl Sagan, explicando como seria viajar pelo universo conhecido com tais velocidades.

http://twitter.com/IoniaScience

Um eclipse especial do Sol

(Bom para 29 de maio de 2023.)
Há 104 anos ocorreu um evento notável: um eclipse total do Sol. Este eclipse foi especial de muitas maneiras. Em primeiro lugar, com pouco menos de 7 minutos de duração, foi o mais longo eclipse em mais de 500 anos. Em segundo lugar, foi usado pelos astrônomos para explorar a então nova teoria da relatividade geral — com resultados bem sucedidos e inovadores.
Einstein publicou sua teoria geral da relatividade em 1915. O eclipse solar total de 1919 ofereceu a oportunidade perfeita para testá-lo experimentalmente, explorando se — e como — a enorme gravidade do Sol curva e distorce a radiação emitida por estrelas mais distantes, tal como previsto pela teoria de Einstein. Por breves momentos durante o eclipse, a Lua bloquearia a luz solar no céu, tornando visíveis algumas das estrelas que se situam próximo da linha de visão do Sol, normalmente não visíveis durante o dia. Ao medir as posições dessas estrelas durante o eclipse e comparando-as às suas posições durante a noite, quando o Sol não está no campo de visão, seria possível determinar se a sua luz se curva ao passar perto do Sol.
Três astrônomos — Arthur Eddington, Frank Watson Dyson e Andrew Crommelin — desempenharam papéis importantes neste experimento de 1919. Eddington e Crommelin viajaram para locais onde o eclipse seria total — Eddington para a Ilha de Príncipe e Crommelin para a cidade brasileira de Sobral — enquanto Dyson coordenava a tentativa a partir de Inglaterra.
Eddington e Crommelin obtiveram imagens do eclipse usando a tecnologia da época: placas fotográficas feitas de vidro. Infelizmente, as placas originais da expedição de 1919 (uma das quais foi reproduzida no artigo científico original de Dyson) foram perdidas. No entanto, cópias de uma das placas foram feitas e enviadas aos observatórios em todo o mundo para que os cientistas pudessem ver com os seus próprios olhos as evidências que apoiavam a relatividade. Uma cópia da placa de Sobral foi enviada ao Landessternwarte Heidelberg-Königstuhl, que recentemente a digitalizou como parte do projeto HDAP (Heidelberg Digitized Astronomical Plates) [1].
A imagem mostrada aqui é, sem dúvida, a de maior resolução que existe do eclipse de 1919 e é o resultado da aplicação de técnicas modernas de processamento de imagens — incluindo restauração de imagem, redução de ruído e remoção de artefatos (veja a versão sem anotações neste link). A imagem revela detalhes surpreendentes na coroa solar, uma proeminência gigante emergindo da parte superior direita do Sol e estrelas na constelação do Touro, que foram usadas para confirmar as previsões da relatividade geral [2].

Notas
[1] O HDAP foi financiado pela Fundação Klaus Tschira através da bolsa nº. 00.071.2005. Para fins históricos, mostramos aqui também a digitalização original de alta resolução obtida antes da restauração digital.
[2] O artigo original de Dyson conclui com o gráfico de mudança de paradigma na página 332, que mostra os deslocamentos das estrelas durante o eclipse em função das suas distâncias ao centro do disco solar. O gráfico mostra uma relação clara (linha contínua) — as estrelas mais próximas do disco solar são mais defletidas do que as que se encontram mais distantes e por aproximadamente a quantidade prevista pela relatividade geral (duas vezes a prevista pela teoria newtoniana, a qual está representada por uma linha pontilhada).
Crédito:
ESO/Landessternwarte Heidelberg-Königstuhl/F. W. Dyson, A. S. Eddington, & C. Davidson
https://www.eso.org/public/brazil/images/potw1926a/?lang

A confirmação da Teoria da Relatividade Geral

Em 1919, Sobral, no Estado do Ceará, Brasil, junto com a Ilha do Príncipe, em São Tomé e Príncipe, foram palcos de uma importante confirmação da física. A Expedição Britânica do Eclipse Solar, liderada por Arthur Eddington, se deslocou para os dois lugares a fim de comprovar (graças ao eclipse solar de 29 de maio de 1919) a distorção que a luz sofre para chegar ao planeta Terra. Com tal confirmação, Albert Einstein pôde ver comprovada sua Teoria da Relatividade.
No dia do eclipse, a Ilha do Príncipe apresentou mau tempo, o que prejudicou e muito o trabalho. O céu estava bastante nublado, fazendo com que apenas duas das várias fotografias efetuadas apresentassem imagens de estrelas. Já em Sobral as condições meteorológicas foram muito melhores. Nesta cidade, foram obtidas sete boas imagens do fenômeno.
Como lembrança de tal fato, foi construído na praça da Igreja de Nossa Senhora do Patrocínio um monumento e, posteriormente, um museu, chamado de Museu do Eclipse, que homenageia a cidade e os físicos e astrônomos que participaram da descoberta.

Após a guerra, Eddington partiu para São Tomé e Príncipe, onde um eclipse solar total seria visível em 29 de maio de 1919. Segundo a relatividade geral, uma estrela visível nas proximidades do Sol deveria aparecer em uma posição ligeiramente mais afastada deste porque sua luz deveria ser ligeiramente desviada pela ação da gravidade do Sol. Esse efeito somente pode ser observado durante um eclipse total do Sol, pois senão a luminosidade do Sol impede a visibilidade da estrela em questão. A relatividade geral predizia um desvio duas vezes maior do que o predito pela gravitação newtoniana.
As condições meteorológicas não eram boas na Ilha do Príncipe, e as placas fotográficas revelaram-se de péssima qualidade e difíceis de medir. Mesmo assim, Eddington anotou em seu caderno:
… uma placa que medi confirmava as predições de Einstein.
Porém, uma outra equipe da expedição que estava na cidade de Sobral, no Brasil, liderada pelo astrônomo britânico Andrew Crommelin, pôde observar o eclipse sob boas condições meteorológicas. As placas fotográficas registradas por essa equipe permitiram a Eddington medir uma deflexão da luz de 1,98".
Esse resultado, cuja exatidão foi discutida posteriormente, foi aclamado como uma prova conclusiva da Relatividade Geral sobre o modelo newtoniano; a notícia foi publicada em jornais em todo o mundo como uma importante descoberta. Ela também é a origem da história de que somente três pessoas entendiam a Relatividade; quando perguntado por um repórter que sugeriu isso, Eddington replicou brincando "Oh, who's the third?" (Oh, quem é a terceira?). Outra história conta que Einstein, ao ser questionado por um repórter sobre o que ele teria feito se as medidas efetuadas por Eddington não estivessem de acordo com as predições da teoria Geral da Relatividade, teria respondido: "Eu diria que o bom Deus está enganado".

Centenário do Eclipse de Sobral

"O mundo moderno começou em 29 de maio de 1919, quando fotografias de um eclipse solar, tiradas na Ilha do Príncipe, na África Ocidental, e em Sobral, no Brasil, confirmaram a veracidade da nova teoria do universo." (Paul Johnson, historiador inglês, autor do livro "Modern Times: The World from the Twenties to the Nineties").
A cidade entrou para o cenário mundial como palco da descoberta mais importante da Física: a Teoria da Relatividade. Um marco que se estendeu para todas as áreas do conhecimento. O absolutismo de Newton deu lugar ao relativismo de Einstein.
Anunciada em 1905, a Teoria da Relatividade de Albert Einstein afirmava que a massa dos corpos deforma o espaço próximo a eles, de modo que um raio luminoso é desviado pela deformação. Esta "curvatura da luz" só poderia ser observada através de um eclipse total do Sol, ou seja, quando a lua fica entre o Sol e a Terra, projetando sua sombra em parte da Terra. Com o eclipse, a luz ofuscante do Sol desaparece e se pode ver o brilho das estrelas próximas.
Para confirmar a "curvatura da luz", e consequentemente, comprovar a Teoria da Relatividade, algumas expedições científicas foram organizadas. Seguindo as previsões de eclipses, os cientistas rumaram para locais específicos. Mas suas tentativas foram frustadas. Uma expedição alemã de 1914, por exemplo, foi impedida por questões políticas. O mau tempo atrapalhou outra, de origem argentina, criada em 1916.
Para o dia 29 de maio de 1919, houve a previsão de um novo eclipse. Os estudiosos realizaram uma busca por locais que oferecessem as melhores condições geográficas para se observar o fenômeno. A cidade de Sobral, no Ceará, e a Ilha do Príncipe, na costa ocidental da África, eram os lugares ideais. Duas expedições foram enviadas. Aquela destinada à Sobral era composta por cientistas norte-americanos, brasileiros e ingleses do Observatório de Greenwich.
As experiências na Ilha do Príncipe não foram muito bem sucedidas. Houve uma tempestade. Nuvens ficaram à frente dos astros. As de Sobral, no entanto, puderam ser consideradas um sucesso.
O método de observação era simples. No momento em que a Lua cobriu o Sol, várias chapas fotográficas, de câmeras acopladas a telescópios, foram tiradas em sucessão, para registrar a posição das estrelas que estivessem visualmente próximas da coroa solar. Depois, estas fotos foram comparadas a chapas parecidas, tiradas três meses depois, durante a noite. A conclusão foi a de que Einstein estava certo. A luz faz realmente uma curvatura.
O dia que virou noite
Sobral viveu em 29 de maio de 1919 um de seus mais peculiares dias. No início daquela manhã, a população foi às ruas. Os sobralenses misturaram-se a vizinhos de outras localidades para conferir o anunciado fenômeno que tomaria conta dos céus. Para uns, o "fim do mundo". Para outros, "um milagre". Os mais esclarecidos sabiam que se tratava de um eclipse total do Sol.
Os sobralenses espantaram-se com os visitantes estrangeiros, que utilizavam toda a sua parafernália de equipamentos, instalados em plena praça, na frente da Igreja do Patrocínio. Os cientistas estavam extremamente ansiosos pois o dia amanhecera nublado. Mas as nuvens, que pareciam tentar esconder o eclipse, logo se afastaram.
No ápice do fenômeno, às oito horas e 56 segundos, o dia escureceu. Confusos, os galos cantaram como se fosse noite. Nos rostos da população, a estampa do medo. Ouvia-se a cacofonia de vozes assustadas, murmurando preces tão desesperadas que nem sempre podiam ser compreendidas. As orações misturavam-se ao estalar de pernas na correria em direção à proteção da Igreja.
No entanto, as faces dos cientistas expressavam sorrisos admirados e satisfeitos. A visão da coroa solar, por si só, já os deslumbrava. E as estrelas, sempre ofuscadas pelo Sol, puderam ser vistas e fotografadas. O eclipse durou cinco minutos e 28 segundos. O dia clareou. Os galos se calaram. A Teoria da Relatividade estava comprovada. Existia uma nova teoria do Universo.
Há um século, portanto.
http://www.fisica.net/relatividade/o-eclipse-de-1919.php
http://centenarioeclipse.sobral.ce.gov.br
Em 1999, em comemoração aos 80 anos do fenômeno que ajudou a comprovar a Teoria da Relatividade, a Prefeitura Municipal de Sobral criou o Museu do Eclipse (foto). Situado no local em que a expedição científica realizou suas observações astronômicas, sua arquitetura arrojada, com projeto do sobralense Antenor Coelho, tem a forma de duas meias luas. Elas ficam parcialmente no subsolo, não agredindo o projeto urbanístico da praça. Em sua exposição permanente, o Museu exibe painéis com mapas e fotos de Sobral (na época do eclipse), dos integrantes da expedição e dos instrumentos por eles utilizados. Uma luneta que pertenceu a Henrique Morize, o astrônomo que chefiou a comitiva brasileira de 1919 em Sobral e diretor do Observatório Nacional na época, também está no museu, além de jornais de novembro do mesmo ano, com os resultados das observações do eclipse em que se comprovou a teoria de Einstein.

O planeta que não era

Vulcano, nome dado ao planeta hipotético, é o deus romano do fogo.
Crédito: Wellcome Images

Apesar de até ter recebido um nome - Vulcano -, o "planeta escondido" permaneceu sendo um dos mais desconcertantes fenômenos do Sistema Solar. Procurado por 56 anos, tornou-se um planeta hipotético, até que o físico alemão Albert Einstein o "expulsou do céu" com sua Teoria da Relatividade.
"É um planeta, ou se preferir, um grupo de planetas menores que circulam na proximidade da órbita de Mercúrio", propôs em 1859 Urbain Joseph Le Verrier, o mais famoso astrônomo do mundo à época e diretor do Observatório de Paris. Ele dizia que só um planeta "seria capaz de produzir a perturbação anômala sentida por Mercúrio".
Foi a sólida reputação de Le Verrier que deu peso à hipótese sobre a existência de Vulcano. Treze anos antes de indicar a existência de Vulcano, La Verrier já havia apresentado à academia francesa a proposta de que um planeta perturbava a órbita de Urano. Ele apontou para sua existência através de cálculos matemáticos.
Assim como Mercúrio, Urano também mostrava uma pequena discrepância em sua órbita que não podia ser explicada pela força da gravidade dos outros planetas e do Sol. No entanto, a partir da lei da gravitação universal - formulada por Isaac Newton em 1687 - e supondo a presença e o movimento de um corpo celestial mais distante do que Urano, Le Verrier conseguiu não só descobrir um novo planeta como também se consagrou na posição de "astro" da ciência.
Mercúrio nunca estava onde indicavam as projeções, baseadas nos conhecimentos da época. A solução para o enigma deveria ser, como aconteceu no caso de Urano, a presença de um outro planeta, no caso, Vulcano. Só faltava encontrá-lo para provar sua existência.
Vulcano parecia ser um dos últimos enigmas do Sistema Solar e tornou-se um dos corpos celestes mais procurados da astronomia. Ao longo dos anos, astrônomos - profissionais e amadores - anunciaram ter avistado Vulcano. Mas a existência do planeta foi confirmada e negada várias vezes. A mídia divulgou a notícia de sua presença mais de uma vez e a especulação persistiu até o século 20.
Mais precisamente até novembro de 1915.
Pouco antes de apresentar a teoria, Einstein usou-a para explicar a discrepância na órbita de Mercúrio. Einstein não só disse: "Meus cálculos são melhores". Ele disse: "Precisam mudar completamente a ideia que têm das características da realidade".
O cerne da Teoria da Relatividade de Einstein é que o espaço e o tempo não são estáticos. Para justificar quão peculiar é a órbita de Mercúrio, Einstein argumentou que um objeto maciço, no caso o Sol, foi capaz de dobrar o espaço e o tempo e ainda alterar o caminho da luz, de modo que um raio, ao passar próximo ao Sol, viajaria por um caminho curvo. Com seus cálculos, Einstein demonstrou que a relatividade geral predizia a diferença observada no periélio mercuriano.
Negar a existência de Vulcano foi central para Einstein, porque mostrou que essa ideia estranha e radicalmente nova, a de que espaço e tempo fluem é realmente o caminho certo para ver o Universo. Mercúrio, de acordo com a teoria de Einstein, não estava tendo a órbita alterada por nenhum outro objeto. Simplesmente, ele se moveu por um espaço-tempo distorcido.
Assim, "Vulcano foi expulso do céu astronômico para sempre", escreveu o autor Isaac Asimov em seu ensaio científico "O Planeta Que Não Era", de 1975.

Extraído de:  https://www.bbc.com/portuguese/curiosidades-41304844, BBC Brasil