Einstein’s Theory of Special Relativity

The theory of special relativity explains how space and time are linked for objects that are moving at a consistent speed in a straight line. Um dos seus aspectos mais famosos diz respeito aos objectos que se movem à velocidade da luz.

simplesmente, como um objeto se aproxima da velocidade da luz, sua massa torna-se infinita e é incapaz de ir mais rápido do que a luz viaja., Este limite de velocidade cósmica tem sido um assunto de muita discussão na física, e até mesmo na ficção científica, como as pessoas pensam sobre como viajar através de vastas distâncias.a teoria da relatividade especial foi desenvolvida por Albert Einstein em 1905, e faz parte da base da física moderna. Depois de terminar seu trabalho na relatividade especial, Einstein passou uma década ponderando o que aconteceria se alguém introduzisse aceleração. Isto formou a base de sua relatividade geral, publicada em 1915.,

história

Antes de Einstein, os astrônomos (na maioria das vezes) compreenderam o universo em termos de três leis de movimento apresentadas por Isaac Newton em 1686. Estas três leis são:

(1) objetos em movimento (ou em repouso) permanecem em movimento (ou em repouso) a menos que uma força externa imponha mudança.

(2) a força é igual à variação do momento por mudança de tempo. Para uma massa constante, a força é igual à massa vezes aceleração.

(3) para cada ação, há uma reação igual e oposta.,

mas houve rachaduras na teoria por décadas antes da chegada de Einstein à cena, de acordo com a Enciclopédia Britannica. Em 1865, o físico escocês James Clerk Maxwell demonstrou que a luz é uma onda com componentes elétricos e magnéticos, e estabeleceu a velocidade da luz (186.000 milhas por segundo). Os cientistas supuseram que a luz tinha que ser transmitida através de algum meio, que eles chamavam de éter. (Sabemos agora que não é necessário nenhum meio de transmissão, e que a luz no espaço se move no vácuo.,vinte anos depois, um resultado inesperado colocou isso em questão. O físico A. A. Michelson e o químico Edward Morley (ambos Americanos na época) calcularam como o movimento da terra através deste “éter” afetou como a velocidade da luz é medida, e descobriram que a velocidade da luz é a mesma, não importa o que o movimento da Terra é. Isto levou a novas reflexões sobre o comportamento da luz — e sua incongruência com a mecânica clássica — pelo físico austríaco Ernst Mach e pelo matemático francês Henri Poincare.Einstein começou a pensar no comportamento da luz quando tinha apenas 16 anos, em 1895., Ele fez uma experiência de pensamento, a enciclopédia disse, onde ele cavalgou em uma onda de luz e olhou para outra onda de luz movendo-se paralelo a ele.

a física clássica deve dizer que a onda de luz que Einstein estava olhando teria uma velocidade relativa de zero, mas isso contradiz as equações de Maxwell que mostraram que a luz sempre tem a mesma velocidade: 186.000 milhas por segundo., Outro problema com velocidades relativas é que eles mostrariam que as leis do eletromagnetismo mudam dependendo de seu ponto de vantagem, o que contradizia a física clássica também (que dizia que as leis da física eram as mesmas para todos.)

This led to Einstein’s eventual musings on the theory of special relativity, which he broke down into the everyday example of a person standing beside a moving train, comparing observations with a person inside the train. Ele imaginou que o trem estava em um ponto na pista igualmente entre duas árvores., Se um raio atingisse ambas as árvores ao mesmo tempo, devido ao movimento do trem, a pessoa no trem veria o raio atingir uma árvore antes da outra árvore. Mas a pessoa ao lado da pista veria ataques simultâneos.

“Einstein concluiu que a simultaneidade é relativa; eventos que são simultâneos para um observador podem não ser para outro”, declarou a enciclopédia. “Isto o levou à ideia contraintuitiva de que o tempo flui de forma diferente de acordo com o estado de movimento, e à conclusão de que a distância também é relativa.,”

famosa equação

o trabalho de Einstein levou a alguns resultados surpreendentes, que hoje ainda parecem contra-intuitivos à primeira vista, mesmo que sua física é geralmente introduzida no nível do ensino médio.

2015 marks 100 years since the publication of Albert Einstein’s General Theory of Relativity. Aprenda o básico da teoria da relatividade de Einstein em nosso infográfico aqui. (Image credit: By Karl Tate, Infographics Artist)

uma das equações mais famosas da matemática vem da relatividade especial., A equação-E = mc2-significa ” energia igual a massa vezes a velocidade da luz ao quadrado.”Mostra que a energia (E) e a massa (m) são intercambiáveis; são formas diferentes da mesma coisa. Se a massa é de alguma forma totalmente convertida em energia, ela também mostra quanta energia residiria dentro dessa massa: bastante. (Esta equação é uma das demonstrações por que uma bomba atômica é tão poderosa, uma vez que sua massa é convertida em uma explosão.)

esta equação também mostra que a massa aumenta com a velocidade, o que efetivamente coloca um limite de Velocidade em como as coisas podem se mover rapidamente no universo., Simplificando, a velocidade da luz (c) é a velocidade mais rápida a que um objeto pode viajar no vácuo. À medida que um objeto se move, sua massa também aumenta. Perto da velocidade da luz, a massa é tão alta que atinge o infinito, e necessitaria de energia infinita para movê-la, encerrando assim o quão rápido um objeto pode se mover. A única razão pela qual a luz se move à velocidade que ela faz é porque os fótons, as partículas quânticas que compõem a luz, têm uma massa de zero.,

uma situação especial no universo do pequeno, chamado “entrelaçamento quântico”, é confusa porque parece envolver partículas quânticas interagindo umas com as outras em velocidades mais rápidas do que a velocidade da luz. Especificamente, medir a propriedade de uma partícula pode instantaneamente dizer-lhe a propriedade de outra partícula, não importa o quão longe eles estão. Muito tem sido escrito sobre este fenômeno, que ainda não é totalmente explicado em termos das conclusões de Einstein. outra conclusão estranha do trabalho de Einstein vem da percepção de que o tempo se move em relação ao observador., Um objeto em movimento experimenta a dilatação do tempo, o que significa que o tempo se move mais lentamente quando se move, do que quando se está parado. Portanto, uma pessoa que se move envelhece mais lentamente do que uma pessoa em repouso. Então sim, quando o astronauta Scott Kelly passou quase um ano a bordo da Estação Espacial Internacional em 2015-16, seu irmão gêmeo astronauta Mark Kelly envelheceu um pouco mais rápido que Scott.

isto torna-se extremamente aparente a velocidades que se aproximam da velocidade da luz. Imagine uma criança de 15 anos viajando a 99,5% da velocidade da luz por cinco anos (do ponto de vista do astronauta)., Quando o miúdo de 15 anos voltar à terra, de acordo com a NASA, teria apenas 20 anos. Seus colegas, no entanto, teriam 65 anos de idade.

enquanto esta dilatação do tempo soa muito teórica, ele tem aplicações práticas também. Se você tem um receptor global de posicionamento satélite (GPS) em seu carro, o receptor tenta encontrar sinais de pelo menos três satélites para coordenar a sua posição. Os satélites GPS enviam sinais de rádio cronometrados que o receptor ouve, triangulando (ou mais propriamente, trilaterando) a sua posição com base no tempo de viagem dos sinais., O desafio é, os relógios atômicos no GPS estão se movendo e, portanto, funcionaria mais rápido do que os relógios atômicos na terra, criando problemas de tempo. Então, os engenheiros precisam fazer com que os relógios de um GPS funcionem mais devagar, de acordo com Richard Pogge, um astrônomo da Universidade do Estado de Ohio.

os relógios no espaço reagem mais rápido, de acordo com a física Central, porque os satélites GPS estão acima da terra e experimentam gravidade mais fraca., Então, mesmo que os satélites GPS estejam se movendo e experimentem uma desaceleração de sete microssegundos a cada dia por causa de seu movimento, o resultado da gravidade mais fraca faz com que os relógios para tick cerca de 45 microssegundos mais rápido do que um relógio baseado no solo. Adicionando os dois juntos resulta no relógio de satélite GPS a funcionar mais rápido do que um relógio baseado no solo, em cerca de 38 microssegundos por dia.

relatividade especial e mecânica quântica

À medida que o nosso conhecimento da física avançou, os cientistas depararam-se com situações mais contra-intuitivas., Um está tentando conciliar a relatividade geral-que descreve bem o que está acontecendo com grandes objetos — com a mecânica quântica, que é melhor usada para coisas muito pequenas (como o decaimento do átomo de urânio). Os dois campos, que descrevem excelentemente seus campos individuais, são incompatíveis uns com os outros-o que frustrou Einstein e gerações de cientistas depois dele.

“A relatividade dá respostas absurdas quando se tenta reduzi-la ao tamanho quântico, eventualmente descendo para valores infinitos em sua descrição da gravidade., Da mesma forma, a mecânica quântica corre em sérios problemas quando você explodi-la para dimensões Cósmicas”, um artigo no Guardian apontou em 2015. campos quânticos carregam uma certa quantidade de energia, mesmo em espaço aparentemente vazio, e a quantidade de energia fica maior à medida que os campos ficam maiores. De acordo com Einstein, energia e massa são equivalentes (essa é a mensagem de E=mc2), então acumular energia é exatamente como acumular massa. Vai suficientemente grande, e a quantidade de energia nos campos quânticos torna-se tão grande que cria um buraco negro que faz com que o universo se dobre sobre si mesmo. Oops.,”

Existem várias ideias para superar isso (que estão além do escopo deste artigo), mas uma abordagem é imaginar uma teoria quântica da gravidade que teria uma partícula sem massa (chamada graviton) para gerar a força. Mas como o físico Dave Goldberg apontou na io9 em 2013, há problemas com isso. Nas menores escalas, os gravitões teriam densidade de energia infinita, criando um campo gravitacional inimaginavelmente poderoso. Será necessário mais estudo para ver se isso é possível.

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