PRÁTICA DE ENSINO DE FÍSICA MODERNA

          Dificilmente existirá na física uma lei mais simples do que aquela que diz que a luz se propaga no espaço vazio. Qualquer pessoa sabe, ou julga saber, que a propagação da luz se dá em linha reta e com uma velocidade de c=300.00 km/s. Hoje sabemos con exatidão que está velocidade é a mesma para todas as cores, quem haveria de imaginar que uma lei tão simples iria trazer as maiores dificuldades para o físico consciencioso Albert Einstein! Vejamos como essas dificuldades se manisfestaram.

     Ao testar os seus postulados para a mecânica clássica Einstein propôs a seguinte situação:  Consideremos um sistema de coordenadas, por exemplo, o leito da estrada. Imaginemos que, de alguma forma, o ar sobre o mesmo tenha sido retirado. Suponhamos ainda que, sobre o leito da estrada, seja emitido um raio de luz cuja frente, segundo o que foi dito anteriomente, propaga-se com a velocidade c em relação ao leito da estrada. Sobre os trilhos, imaginemos um vagão de estrada de ferro, viajando na mesma direção em que o raio luminoso, se bem que, evidentemente, de uma maneira muito mais lenta. Queremos saber qual é a velocidade de propagação do raio luminoso em relação ao vagão?

       Para entender a situação imposta por Einstein vamos supor que possuímos dois referenciais (S e S'), representados pela figura abaixo:

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       Estes referenciais possuem a mesma origem no instante           ,                o  referencial S' esta em movimento em relação ao referencial S, podemos utilizar as transformadas de Galileu para relacionar as coordenadas x(x,y,z),t do referencial S com as coordenadas x'(x',y',z'),t' do referencial S' e a transformaçao de Galileu são dadas pelas seguintes equações

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                                                              (1)

                                            

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                                                                    (2)

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       A lei de composição de velocidades de Galileu diz que

                                        

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                                                             (3)

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onde v e v' são as velocidades relativas respectivamente aos referenciais S e S'.  Também afirma que as acelerações nos dois referenciais são iguais:

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                                                                                           (4)

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      A partir das equações (1),(2),(3) e (4) é possível perceber que as tranformações de Galileu não afetam a distância entre as partículas e também não afetam as suas massas, portanto é possível afirmar que elas também não afetam uma força que depende destas duas variáveis (a gravitação, por exemplo). Destas conclusões decorre que o princípio da Relatividade descrito na seção anterior é válido para a mecânica clássica.

       Porém ao utilizar a lei de composição de velocidades de Galileu para a velocidade da luz, na Eletrodinâmica, temos

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                                                                                                        (5)

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onde V e a velocidade constante do segundo referencial em relação ao primeiro. Este resultado viola o princípio da Relatividade uma vez que                 e       iria variar com a direção de propagação da luz. Isso significaria que as equações de Maxwell poderiam ser utilizadas somente em um referencial privilegiado, neste caso o éter. E neste referencial o princípio da Relatividade também não seria válido.

       Mas se escolhermos manter o princípio da Relatividade válido para a Eletrodinâmica iriamos violar as transformações da mecânica clássica da equação (5). Portanto somente uma das opções abaixo pode ser válida:

       1. Tanto a mecânica clássica quanto a Eletrodinâmica estão corretas e o princípio da Relatividade não se aplica a todos as leis da física, pois existe o éter (referencial privilegiado) que não obedece a ele;

           2. O princípio da Relatividade se aplica a todas as leis da física e a mecânica newtoniana está correta. Porém a Eletrodinâmica precisa sofrer alterações;

     3. O princípio da Relatividade se aplica a todas as leis da física e a Eletrodinâmica está correta. Neste caso deve ser possível observar desvios nas leis da mecânica newtoniana.

       Como o                                                    não provou a existência do éter a primeira opção pode ser descartada. A segunda opção foi desenvolvida por Walter Ritz (1908), mas as modicações previstas por ele foram descartadas por meio de observações astrônomicas. Sobra então a terceira opção.

       Aqui entra em cena a Teoria da Relatividade. Por uma análise dos conceitos físicos de tempo e espaço Einstein demonstrou que não existe incompatibilidade entre o princípio da relatividade e a lei da propagação da luz. Pelo contrário, por uma adesão firme e sistemática a estas duas leis se pode chegar a uma teoria lógica que está ao abrigo de qualquer objeção.

       Passaremos a expor no próximo tópico as ideias fundamentais desta teoria.

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