Um relógio a bordo de uma espaçonave em movimento rápido não quebra, atrasa ou funciona mal. Funciona normalmente para todos lá dentro. Os corações batem, o café esfria e os cabelos crescem no ritmo habitual.
No entanto, quando os viajantes regressam, podem ter envelhecido muito menos do que as pessoas que permaneceram na Terra.
Esse resultado perturbador não vem da radiação, da ausência de peso ou de algum efeito oculto das viagens espaciais. Vem da própria estrutura do tempo. De acordo com a relatividade especial, observadores que se movem a velocidades diferentes podem experienciar diferentes períodos de tempo entre os mesmos eventos.
A ideia parece remota até que você considere que nada está realmente parado. A Terra se move ao redor do Sol a cerca de 30 quilômetros por segundo. O Sol circunda a Via Láctea a cerca de 230 quilômetros por segundo. A galáxia se move pelo universo a mais centenas de quilômetros por segundo.
Essas velocidades não fornecem uma medida universal de movimento. A física não oferece nenhum contexto fixo contra o qual todo o resto possa ser julgado. O movimento só tem significado em relação a outro objeto.
Nenhum observador possui o ponto de vista correto
Coloque duas pessoas em um espaço vazio e deixe-as se separarem na metade da velocidade da luz. Uma pessoa pode dizer que a outra está se movendo. A segunda pessoa pode fazer a mesma reclamação em troca.
Nenhum dos observadores tem acesso privilegiado a um estado de repouso absoluto.
Esse princípio já pareceu um detalhe técnico. Tornou-se uma crise quando os físicos tentaram compreender a luz. Na experiência normal, as velocidades se somam. Uma bola lançada para frente em um trem em movimento viaja mais rápido em relação ao solo do que uma bola lançada de uma plataforma estacionária.
Light se recusou a seguir essa regra.
Medições feitas em diferentes direções e em diferentes épocas do ano retornaram o mesmo resultado. O movimento da Terra não alterou a velocidade medida da luz. O valor permaneceu em 299.792.458 metros por segundo.
Essa consistência forçou uma escolha radical. Se o movimento permanecesse relativo e a luz viajasse à mesma velocidade para todos os observadores, então as ideias familiares sobre distância e tempo não poderiam permanecer fixas.
Em 1905, Albert Einstein desenvolveu a estrutura que se tornou a relatividade especial enquanto trabalhava num escritório de patentes suíço. Sua solução uniu espaço e tempo em uma única estrutura conhecida como espaço-tempo.
O tempo não poderia mais servir como um relógio universal para todo o universo.
O movimento muda a passagem do tempo
Uma maneira de imaginar a relatividade é pensar no movimento como dividido entre espaço e tempo. Um objeto parado em relação a um observador se move apenas no tempo a partir do ponto de vista desse observador. Assim que o objeto começa a se mover pelo espaço, a quantidade de tempo registrada ao longo de seu caminho muda.
Quanto mais rápido o movimento espacial, menos tempo passa para o objeto em movimento em comparação com um observador estacionário.
Este efeito é chamado de dilatação do tempo.
Nada parece incomum para o viajante. Cada segundo ainda parece um segundo. Os relógios locais concordam com os batimentos cardíacos próximos, reações químicas e eventos diários. A diferença aparece quando o relógio do viajante é comparado com um relógio que seguiu outro caminho no espaço-tempo.
Considere uma espaçonave indo em direção a uma estrela a 10 anos-luz de distância, a 99% da velocidade da luz. Da Terra, a viagem dura pouco mais de 10 anos. As pessoas que assistem de casa veem o navio atravessar a enorme distância.
A tripulação experimenta cerca de 1,4 anos.
Seus relógios não funcionam repentinamente em câmera lenta a partir de sua própria perspectiva. A vida a bordo da espaçonave prossegue normalmente. A tripulação simplesmente registra menos segundos decorridos entre a partida e a chegada do que os observadores na Terra.
A 99,9999% da velocidade da luz, o contraste torna-se mais dramático. Os viajantes poderiam experimentar a viagem de 10 anos-luz em aproximadamente cinco dias. Uma viagem de ida e volta poderia deixá-los apenas cerca de duas semanas mais velhos, enquanto aproximadamente 20 anos se passaram na Terra.
O efeito não é apresentado como um truque de percepção. Cada observador mede um tempo decorrido diferente porque cada um segue um caminho diferente através do espaço-tempo.
A distância não permanece intocada
A dilatação do tempo tem uma parceira chamada contração do comprimento.
Da Terra, a espaçonave percorre uma distância de 10 anos-luz enquanto seus relógios funcionam lentamente. Dentro do navio, porém, a tripulação considera-se estacionária. Em vez disso, os viajantes medem a distância entre a Terra e o destino como sendo mais curta.
O movimento altera o comprimento medido ao longo da direção do deslocamento.
Essa distância reduzida ajuda a explicar por que a viagem pode levar apenas alguns dias para a tripulação. Eles não estão cruzando a mesma distância medida que os observadores na Terra atribuem à viagem. Seu quadro de referência contém uma rota compactada.
Ambas as descrições permanecem válidas.
Observadores terrestres descrevem uma espaçonave rápida com relógios lentos. A tripulação descreve uma nave estacionária movendo-se por um trecho reduzido de espaço. A relatividade não diz que a realidade se torna arbitrária. Diz que as medições do espaço e do tempo dependem do movimento do observador.
As leis que conectam essas medições permanecem consistentes.
Esta distinção é importante porque a relatividade é muitas vezes confundida com a afirmação de que todas as opiniões são igualmente verdadeiras. A teoria de Einstein apresenta um argumento muito mais rigoroso. Observadores diferentes podem produzir medições diferentes, mas esses resultados devem corresponder às mesmas relações matemáticas.
O limite que nenhum grande viajante pode alcançar
À medida que um objeto se aproxima da velocidade da luz, a dilatação do tempo fica mais forte. A transcrição descreve esse limite perguntando o que aconteceria se todo o movimento no espaço-tempo fosse direcionado através do espaço.
Na velocidade da luz, nenhum tempo adequado passaria no caminho da luz.
Isto leva a uma afirmação tentadora de que um fóton não passa por nenhum tempo entre a emissão e a absorção. Um fóton que sai de uma estrela distante e mais tarde chega ao olho não envelhece durante sua jornada. Mesmo que a viagem se estenda por milhares de milhões de anos-luz do ponto de vista de um observador, a luz em si não acumula um tempo adequado.
A redação exige cuidado porque a transcrição também qualifica a ideia com a frase “se tivesse” perspectiva. O ponto central é que a luz não carrega um relógio que registre o tempo decorrido ao longo de sua rota.
Objetos enormes não podem se juntar a ele.
Atingir a velocidade da luz exigiria energia infinita para qualquer coisa com massa. Uma espaçonave, pessoa ou partícula com massa pode aproximar-se do limite, mas nunca chegar lá. Seus relógios podem funcionar mais lentamente em relação a outros observadores, mas o tempo nunca para para eles.
As viagens atemporais permanecem indisponíveis para as pessoas.
Um universo sem um presente compartilhado
A perturbação mais profunda vem de mais do que apenas as taxas de envelhecimento. A relatividade também muda o significado de “agora”.
Observadores que se deslocam a velocidades diferentes podem discordar sobre se dois eventos distantes aconteceram ao mesmo tempo. Pode-se julgá-los simultâneos enquanto outro coloca um evento antes do outro.
Nenhum dos observadores precisa cometer um erro.
A discordância deles vem da relatividade da simultaneidade. O universo não fornece um relógio mestre que divida a existência em momentos compartilhados por todos. Cada objeto em movimento carrega seu próprio relógio e caminhos diferentes produzem medidas diferentes.
Na velocidade humana normal, essas divergências permanecem mínimas. As pessoas na Terra movem-se lentamente em comparação com a luz e partilham movimentos semelhantes. A vida quotidiana cria, portanto, a forte impressão de que o tempo passa em todo o lado num ritmo comum.
Essa impressão funciona bem o suficiente para conversas, agendas e a maior parte da tecnologia. Não descreve a estrutura completa do universo.
Um avião comercial viaja a cerca de 900 quilômetros por hora. Nessa velocidade, a transcrição coloca a dilatação do tempo em apenas alguns nanossegundos por hora. Os sentidos humanos não conseguem detectar tal diferença.
Instrumentos de precisão podem.
Os relógios atômicos usados em aviões registraram mudanças ligadas ao movimento. Os aceleradores de partículas também fornecem evidências porque as partículas que se movem rapidamente persistem de maneira diferente das mais lentas. O efeito passa a fazer parte da engenharia prática da navegação por satélite.
A relatividade entra na tecnologia cotidiana
Os satélites do Sistema de Posicionamento Global requerem correções ligadas à dilatação do tempo. Sem esses ajustes, a transcrição afirma que os erros de navegação aumentariam em quilômetros em questão de horas.
Um telefone que se localiza em um mapa depende, portanto, de relógios que nem todos funcionam na mesma velocidade.
O efeito também aparece através da gravidade. Os pés de uma pessoa ficam ligeiramente mais baixos no campo gravitacional da Terra do que a cabeça. De acordo com a transcrição, os pés envelhecem um pouco mais lentamente.
Tais diferenças permanecem invisíveis na vida quotidiana. Eles são importantes quando os relógios se tornam precisos o suficiente ou quando as velocidades se tornam grandes o suficiente.
A relatividade não se limita a estrelas distantes.
Ele opera durante todos os voos, todas as órbitas de satélite e todos os experimentos com partículas em alta velocidade. Na maioria das vezes, os números são pequenos demais para serem notados. As regras não são desativadas simplesmente porque os sentidos humanos não conseguem detectá-las.
O tempo se comporta menos como um rio
As pessoas costumam imaginar o tempo como um rio que passa por tudo em um ritmo constante. A relatividade especial substitui essa imagem por algo menos confortável.
O tempo atua como uma dimensão ligada ao espaço.
Os objetos seguem caminhos através do espaço-tempo, e a quantidade de tempo medida ao longo desses caminhos pode ser diferente. A velocidade muda o relacionamento. O mesmo acontece com o observador escolhido para comparação.
A transcrição descreve essa relação como um “orçamento” fixo de espaço-tempo. Nessa imagem, uma pessoa que se move lentamente no espaço gasta quase todo esse orçamento movendo-se no tempo. A luz gasta tudo em movimento através do espaço e nada no tempo decorrido.
Essa linguagem oferece um guia intuitivo, embora a física subjacente se baseie na geometria do espaço-tempo. O importante não é que o movimento roube uma substância chamada tempo. Em vez disso, as medições de espaço e tempo ajustam-se em conjunto para que cada observador obtenha a mesma velocidade da luz.
O universo protege essa constante desistindo da ideia de distância universal, duração universal e simultaneidade universal.
Esses sacrifícios são maiores do que parecem à primeira vista.
