Introdução Histórica

Até 1900, a física havia evoluído a ponto de a mecânica clássica ser capaz de lidar com problemas altamente complexos envolvendo situações macroscópicas; a termodinâmica e a teoria cinética estavam bem estabelecidas; a óptica geométrica e física podiam ser compreendidas em termos de ondas eletromagnéticas; e as leis de conservação da energia e do momento (e da massa) eram amplamente aceitas. Tão profundos foram esses e outros desenvolvimentos que se aceitava, de modo geral, que todas as leis importantes da física haviam sido descobertas e que, a partir de então, a pesquisa se concentraria em resolver pequenos problemas e, especialmente, em aperfeiçoar métodos e medições.

Diante desse cenário, muitos físicos acreditavam que a disciplina havia chegado a um estado quase definitivo. Em 1900, durante uma palestra da Royal Institution em Londres, Lord Kelvin (William Thomson) fez uma declaração famosa¹, sugerindo que o futuro da física seria apenas uma questão de medições mais precisas e refinamentos técnicos. Ele comparou a física a um edifício quase completo, onde restavam apenas alguns pequenos ajustes.

No entanto, Lord Kelvin também alertou que havia "duas pequenas nuvens no céu azul da física clássica", problemas aparentemente insignificantes, mas que posteriormente levariam a uma revolução completa na ciência. Esses problemas eram:

A radiação do corpo negro: Um problema na termodinâmica e no eletromagnetismo relacionado à distribuição da energia emitida por corpos em equilíbrio térmico. Esse fenômeno não podia ser explicado pelas teorias existentes.
O experimento de Michelson-Morley: Uma falha em detectar o movimento da Terra através do éter luminífero, o meio hipotético no qual se acreditava que as ondas eletromagnéticas deveriam se propagar.

No início do século XX, como previsto por Lord Kelvin, surgiram respostas para os dois desafios fundamentais que a física enfrentava na época. O primeiro problema foi resolvido quando Planck introduziu a constante que hoje leva seu nome \(\left(h\right)\), estabelecendo a quantização dos níveis de energia do corpo negro e inaugurando a Mecânica Quântica. Já o segundo problema, relacionado à inconsistência entre as equações de Maxwell e a mecânica newtoniana, levou Einstein a desenvolver a Teoria da Relatividade Restrita. A solução surgiu com a introdução de uma nova constante fundamental, a velocidade da luz no vácuo \(\left(c\right)\), que foi postulada como invariante em todos os referenciais inerciais, reformulando completamente nossa compreensão do espaço e do tempo.

Esses novos conceitos passaram a dominar áreas fora da experiência cotidiana, ou seja, em escalas extremas de energia, tanto muito baixas quanto muito altas. Essa revolução exigiu a reformulação de diversos fenômenos conhecidos e a criação de novas ferramentas matemáticas para compreendê-los. Dessa forma, ao contrário da previsão de Kelvin de que a física estava próxima de sua conclusão, a resolução dessas questões transformou radicalmente nossa compreensão do universo, marcando o nascimento da chamada Física Moderna.

Teoria da Relatividade Restrita

Nesse documento focaremos no estudo do segundo problema abordado pelos físicos no começo do século XX. Ao fazer isso, encontraremos novos aspectos da natureza, desenvolvidos pela Teoria da Relatividade Restrita. Esses aspectos são comumente chamados de fenômenos relativísticos. Os efeitos gerados pelos fenômenos relativísticos, na maioria das vezes, são observados em altas velocidades, próximas à velocidade da luz.

Lord Kelvin, “Nineteenth Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light,” Phil. Mag., Series 6, 2, 1–40 (1901). This paper was also published in the Notices of the Proceedings at the Meetings of the Members of the Royal Institution of Great Britain with Abstracts of the Discourses delivered at the evening meetings. ↩