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Albert Einstein
O físico em retrato datado de 1921

No fim e início dos séculos XIX e XX os físicos enfrentavam problemas desafiadores, que clamavam por novas hipóteses. Albert Einstein aceitou esse desafio. Sua Teoria da Relatividade explicou não só fenômenos que a de Isaaac Newton não dava conta, como também outros que a mecânica newtoniana não era capaz de resolver.


Os primeiros artigos sobre a Teoria da Relatividade Geral foram publicados na Alemanha, em 1915, em meio aos conflitos da Primeira Guerra Mundial (1914-1918). Algumas anomalias observadas nas órbitas planetárias – como o “periélio” de Mercúrio – conduziram a novas predições, como a de que os raios luminosos se curvam por causa do campo gravitacional do Sol, tornando-se o fundamento da cosmologia moderna e, inclusive, da ideia do universo em expansão.


Leia atividade didática de Física inspirada neste texto 
Competências: Entender métodos das ciências naturais e aplicá-los em diferentes contextos
Habilidades: Relacionar informações em diferentes formas de linguagem e representações usadas nas ciências físicas, como texto discursivo, gráficos, relações matemáticas ou linguagem simbólica. Avaliar métodos ou processos das ciências naturais.

Discuta as concepções de gravidade presentes nas teorias de Einstein e Newton

1) Faça um levantamento das concepções dos alunos sobre gravidade, levando em conta as ideias de Newton. Grupos de quatro alunos deverão discutir sobre as concepções de gravidade de Newton e em seguida apresentá-las para a classe.

2) Serão distribuídos aos grupos folhas de papel sulfite, transferidores e corpos esféricos. Os alunos deverão: a) desenhar na folha de papel sulfite vários triângulos, medir os ângulos internos e anotar a soma desses três ângulos. b) Repetir o procedimento utilizado no item a em superfícies esféricas, de acordo a figura: c) Na superfície esférica desenhar geodésicas (linhas que ligam uma superfície a outra numa superfície esférica). d) Promover discussões sobre diferenças observáveis entre superfícies planas (geometria euclidiana e superfícies esféricas (geometria não euclidiana).

3)
Apresentação de texto sobre diferenças entre espaço tridimensional e quadridimensional e sobre buracos negros. Pedir aos grupos que destaquem pontos que lhes chamaram a atenção para depois promover discussões entre os grupos com destaque para as diferenças entre as concepções de Einstein e de Newton sobre a gravidade.

Ela é a segunda parte de sua Teoria da Relatividade. A primeira, apresentada em 1905, denominada Teoria Especial da Relatividade, estuda o movimento de um sistema com velocidade constante em relação a outro também com velocidade constante.

O arcaboço conceitual da teoria de Einstein é suficientemente diferente do de Newton para evitar que haja relações estritamente lógicas entre elas. A Física estabelece limites da aplicabilidade das teorias atuais para desenvolver teorias que sejam aplicáveis ao mundo, num grau maior de aproximação ou numa variedade mais ampla de circunstâncias.

Para Einstein, o espaço é suficientemente “curvado” pelo campo gravitacional do Sol para que a geodésica da luz se comporte diferentemente da previsão newtoniana. Na verdade, a nova teoria prediz que deve haver uma aparente alteração na posição das estrelas, cuja luz passa próximo à superfície do Sol.

No espaço-tempo einsteiniano, os corpos não se deslocam mais em linha reta, como no espaço usual, mas segundo geodésicas, que são linhas que ligam um ponto a outro na esfera. Isso corresponde à transição de uma geometria plana (euclidiana) para uma geometria multidimensional (não euclidiana) que provoca uma curvatura do espaço.

Para Einstein, o movimento de um corpo em um campo gravitacional não tem uma força como causa. É naturalmente uma curva. A gravidade é a geometria curva do espaço, que “direciona” a trajetória que a matéria deve seguir. Por outro lado, a matéria (como a Terra) atua sobre o espaço por meio do campo gravitacional, ao seu redor, dando-lhe um novo aspecto, uma nova geometria onde a linha reta, agora é linha curva.

A teoria de Einstein também previu a existência dos buracos negros, sistemas que absorvem toda a radiação que nelas incidem. Um buraco negro é uma região do espaço onde a gravidade é tão poderosa que nem mesmo a luz pode dela sair. O termo “negro” é relacionado ao fato de que nem a luz consegue escapar dele, portanto, ele não pode ser visto. O termo “buraco” está relacionado ao fato de que quaisquer quantidades de matéria ou energia podem “cair” (serem absorvidos) por ele como se fosse um infindável abismo.

Diferentemente da Geometria Euclidiana que fundamenta a teoria newtoniana, as geometrias na Teoria da Relatividade Geral são definidas sobre a superfície de uma esfera ou de um hiperboloide (algo parecido com a sela de um cavalo). As imagens abaixo mostram essas duas geometrias. Dizemos que uma superfície esférica tem uma curvatura positiva, enquanto a superfície de um hiperboloide tem curvatura negativa.

Como a Teoria da Gravitação de Einstein prevê que a existência de curvatura no espaço-tempo, necessariamente ela terá de utilizar as geometrias não euclidianas.

Vemos que em uma superfície com curvatura positiva a soma dos ângulos internos de um triângulo traçado nessa superfície é maior que 180 graus. No caso de uma superfície com curvatura negativa a soma desses ângulos internos será menor que 180 graus.

O tema da relatividade geral, se levada ao Ensino Médio, pode ser importante para o estudante, pois a ativação de reflexões sobre a evolução do pensamento científico, desde as suas motivações até a elaboração de uma nova teoria, bem como a transição da gravitação newtoniana até a sua generalização fornece um ótimo exemplo, por sua estética e elegância. Além disso, possibilita discussões sobre a estrutura do universo e de outros fenômenos nele existentes, como os buracos negros, entre outros tão frequentes, na literatura científica e que podem ser aproveitados como elementos de motivação para o ensino da Física.


Livros

As Ideias de Einstein, de Jeremy Bernstein. Cultrix e Editora da Universidade de São Paulo, 1973.
A Ciência como Atividade Humana, Kneller, G. F., Editora Zahar, 1980.
O Que É Ciência Afinal? Chalmers, A. F., Editora Brasiliense, 1995.
A Evolução da Física, Einstein, A. e Infeld, L., Editora JZE, 2008.
A Teoria da Relatividade, Einstein, A. e Infeld, L., Editora L&PM, 2013.
Teoria da Relatividade Especial e Geral, Einstein, A.
Editora Contraponto, 1999.
ABC da Relatividade, Russel, B. Editora Zahar, 2005.
O Que É a Teoria da Relatividade? L. Landau, e Rumer, Y., Editora Hemus, 2004.

Filmes

Einstein & Eddington (2008)
Produzido pela emissora inglesa BBC, o filme trata da relação entre o físico inglês Arthur Stanley Eddginton e o alemão Albert Einstein. Enquanto a Alemanha e a Inglaterra encontravam-se em lados opostos da Primeira Guerra Mundial, os cientistas passaram a colaborar entre si.

100 anos da Teoria da Relatividade – Universo Einstein, documentário (2005).

Interestelar (2014)
A ficção científica dirigida por Cristopher Nolan mostra um futuro distópico, no qual a população mundial sofre com uma praga que destrói as plantações. A solução – encontrar um novo planeta para abrigar a humanidade – passa por conceitos da Física, como a relatividade do tempo-espaço. Assistir ao filme com os alunos pode ser interessante para produzir discussões sobre o que é científico e o que é fantasia no filme.