A Física Relativista e a Transição até as Primeiras Décadas do Século XX

Este artigo se baseia nos livros de Albert Einstein traduzidos em português, A Evolução Atual da Física, Notas Autobiográficas e Como Eu Vejo o Mundo. Seu objetivo é traçar um quadro sucinto do desenvolvimento da Física entre o final do século XIX e meados do século XX. Todavia deixaremos a teoria dos Quanta para outro texto, fixando-nos na Física relativista. Procuraremos mostrar a importância dessa Física para outros ramos do pensamento fazendo paralelismos entre a visão de economia de Lord Keynes e as idéias centrais de Einstein.

Vimos em artigo anterior que a síntese na física elaborada por Newton tem um sentido materialista e mecânico, envolvendo os conceitos básicos de massa, força, partículas, tomando-se o tempo e a distância como absolutos e inalteráveis pela experiência. Embora essa física tenha um grande poder explicativo e até hoje se mandem sondas espaciais baseando-se em suas leis, na segunda parte do século XIX outros pontos de vista foram progressivamente abrindo caminho para a síntese relativista que generalizou, a partir de um novo ponto de vista filosófico, os resultados da física newtoniana.

Na segunda metade do séc XX autores como Faraday, Maxwell e Hertz iniciaram um rompimento da física antiga através de conceitos mais claros e rigorosos. Sem se ater a esses desenvolvimentos de forma cronológica e precisa lembramos apenas o seu sentido.

O primeiro é a construção do conceito de campo. Imaginemos um círculo como um modelo no espaço representando o Sol. Em volta dessa esfera há uma série de linhas de força do campo gravitacional que estão presentes no espaço, onde não há matéria alguma presente. Essas linhas de força são a forma de se representar o campo que indica como se comportaria um corpo se estivesse colocado próximo à esfera. Esse conceito de campo é bastante interessante e já representa o primeiro passo para fora de uma física puramente materialista. Entretanto, ela não está tão longe de Newton uma vez que a força entre dois corpos depende, de acordo com Newton, somente da distância, e a força não tem de passar de um corpo para outro.

Outros experimentos vão no mesmo sentido mas são mais dificilmente assimiláveis pela teoria clássica como a força de uma corrente elétrica atuando sobre um pólo magnético. A corrente atua sobre o pólo magnético a partir de que força? O campo permite determinar as forças que atuam sobre um pólo magnético em qualquer ponto do espaço. Podemos representar o campo de um imã da mesma forma que de uma corrente. Neste caso, o imã é a fonte do campo. Podemos ver que o campo é uma representação das forças atuantes mas vai além disso, ligando de forma semelhante tanto as ações de uma corrente como a de um barra imã, sendo que, nos dois casos, ele é semelhante.

Voltando atrás, o campo de um condutor carregado pode ser introduzido exatamente como o campo gravitacional ou o campo de uma corrente ou imã. No caso de um esfera elétrica positiva ou negativamente carregada, quando ela se move, há uma alteração de um campo magnético ou, se quisermos, um movimento equivale a uma corrente que apresenta um campo magnético associado. Assim, a alteração de um campo elétrico produzido pelo movimento de uma carga é sempre acompanhada de um campo magnético. Essas experiências baseiam-se nos trabalhos do físico Oersted e significam que quando uma carga está em repouso, há apenas um campo eletrostático, mas que, um campo magnético aparece quando a carga começa a se mover. Outro cientista envolvido nessas experiências foi Rowland que percebeu que quando mais rapidamente se alterar o campo elétrico, mais forte será o campo magnético que o acompanha.

Esses exemplos foram apresentados com fatos familiares à linguagem dos fluídos presente na Física clássica, mas podem ser apresentados de forma mais clara e simples. A Física clássica diria que "a alteração de um campo elétrico é acompanhada de um campo magnético". Se trocarmos as palavras magnético e elétrico podemos dizer que "a alteração de um campo magnético é acompanhada de um campo elétrico". A formulação desse problema é possível pela linguagem de campo. A experiência necessária para prová-la deveu-se a Faraday que modificando rapidamente a posição de um imã de um circuito sem carga fez aparecer uma corrente por curto espaço de tempo. A explicação do resultado dessa experiência torna-se simples segundo o princípio de que a ação é determinada pelo campo.

Podemos fazer experiências semelhantes ampliando o alcance da experiência de Oersted e concluindo que um corpo magnético em alteração é acompanhado de um campo elétrico. Há portanto um conexão entre o campo elétrico em alteração e o campo magnético e uma ligação entre o campo magnético em alteração com a corrente induzida. Oersted e Faraday criam, portanto, um modelo útil capaz de ajudar a entender novos fatos.

Um deles é criação de um ponto de vista diferente que é o da energia. Quando um campo magnético desaparece por meio da interrupção de uma corrente elétrica cria-se uma centelha que representa energia e o mesmo se deve dar com relação ao campo magnético. O conceito de campo deve considerar o campo magnético como um depósito de energia. A partir daí podemos descrever os fenômenos elétricos e magnéticos de acordo com a lei de conservação de energia. As leis do campo foram descritas matematicamente nas chamadas equações de Maxwell. Essas equações diferem em forma e caráter das equações da Física moderna e representam a estrutura do campo.

Essas equações são formadas a partir de uma experiência imaginária na qual levando-se em conta as experiências de Oersted e Rowland, a linha circular do campo magnético se espiralando em torno da corrente e do campo elétrico em alteração tinha de ser contraída para um ponto. Em seguida, considerando a experiência de Faraday, a linha circular de um campo elétrico se espiralando em torno do campo magnético em alteração tinha de ser contraída para um ponto. A partir daí pode-se ver como se fosse real um campo eletromagnético uma vez criado quando existe, age e se altera de acordo com as leis de Maxwell.

Comparemos o que mudou em relação ao conceito mecânico anterior. Dada a posição e a velocidade de uma partícula em um único instante e conhecendo-se as forças atuantes, toda a trajetória futura da partícula poderia ser prevista. A partir de Maxwell, se conhecermos apenas o campo em um instante podemos deduzir das equações da teoria como o campo inteiro se alterará no espaço e no tempo. Em segundo lugar, Newton permitiu descrever o movimento da Terra com a ação do distante Sol. Em Maxwell, as equações matemáticas expressam as leis que governam o campo magnético. Finalmente, as leis de Newton relacionam os acontecimentos daqui com as condições de lá, mas o campo aqui e agora depende do campo na vizinhança imediata.

É impossível superestimar a importância da noção de campo. A partir dela, na virada do século, Hertz provou pela primeira vez a existência de ondas eletromagnéticas e confirmou experimentalmente que a sua velocidade é igual a da luz e permitiu a industrialização de aparelhos de rádio hoje utilizados por quase todos. Observemos também que a identidade entre magnetismo e eletricidade, bem como o conceito de energia surgem nessa época e terão grande importância na Física moderna. Einstein, nos seus livros, realça sempre esses fatos.

A onda eletromagnética tem uma relação forte com a luz pois ambas possuem a mesma velocidade no espaço vazio. Isso sugere uma teoria eletromagnética da luz, pois a única diferença entre uma onda eletromagnética comum e uma onda luminosa é o comprimento de cada uma. Essas observações podem ser feitas a partir do conceito de campo, inexistente até o início do século XIX, quando se descrevia a ação de duas cargas elétricas apenas por conceitos ligados às duas cargas. Isso é típico da Física clássica que não possuía um conceito de energia, baseando-se sempre no conceito de massa entendido como massa inercial, ou quantidade de matéria contida num corpo. Isso não significa que a antiga teoria não tenha validade dentro de seus limites. Para Einstein, a criação de uma nova teoria não significa destruir teorias antigas e criar outras mais modernas, mas antes se assemelha a subida de uma montanha alcançando vistas novas e descobrindo conexões inesperadas entre o ponto de partida o novo panorama. O campo foi importante também para superação do conceito de éter, adotando-se a partir daí que o espaço tem a propriedade física de transmitir ondas eletromagnéticas. Mais tarde, foi feito o experimento Michelson-Morley, que foi definitivo para o abandono do conceito de éter.

Outro ponto fundamental neste início do século XIX tem a ver com o conceito de inércia de Galileu, segundo o qual "todo corpo permanece em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em linha reta, se não for obrigado a mudar de estado por forças nele aplicadas". Uma idéia importante é que a lei da inércia pode ser checada pela experiência real à medida que as leis da mecânica só funcionam bem num sistema coordenado adequado a ela. Num quarto que gire, as leis de mecânica terão de ser diferentes, considerando um objeto fora dele, em relação ao qual se façam medidas. Mesmo na Terra, que tem uma rotação relativamente lenta, muitas experiências mostram um pequeno desvio da prova da rotação da Terra. Isso significa que todas as observações sobre física tem de ser feitas dentro de uma estrutura de referência rigidamente ligada à Terra chamada sistema coordenada, ou SC. Podem ser feitas experiências mostrando como a nossa própria experiência cotidiana que, se as leis da mecânica são válidas em um SC, então serão válidas em todos os SC que se movam uniformemente em relação ao primeiro.