As propriedades fundamentais do universo

Se você quisesse descrever o universo como o conhecemos da forma mais básica possível, poderia dizer que ele consiste de várias propriedades. Propriedades com as quais estamos todos tão familiarizados que, na verdade, nunca paramos para pensar nelas. Porém, na relatividade especial, muitas dessas propriedades se comportam de formas bem inesperadas! Vamos revisar as propriedades fundamentais do universo para termos certeza de que entendemos todas direitinho.

Espaço
O espaço é a representação tridimensional de tudo que vemos e de tudo o que acontece. É o espaço que permite que objetos tenham três dimensões: comprimento, largura e altura.

Tempo
O tempo é a quarta dimensão. Na vida normal, o tempo é uma ferramenta que usamos para medir o progresso dos eventos do espaço. Mas ele é um pouco mais do que isso. Sim, nós o usamos como uma "ferramenta", mas o tempo é essencial para nossa existência física. Não é possível separar claramente o espaço e o tempo quando os usamos para descrever eventos. Por isso, o espaço e o tempo estão entrelaçados de maneira simbiótica. Não há sentido nenhum no nosso mundo físico ter um sem o outro. Sendo redundante: sem o espaço, o tempo seria inútil para nós e, sem o tempo, o espaço seria igualmente inútil. Essa dependência mútua é conhecida como o Contínuo Espaço-Tempo. E esse nome indica que qualquer coisa que acontece em nosso universo é um evento com Espaço e Tempo. Na Relatividade Especial, o espaço-tempo não precisa da noção de um componente temporal universal. O componente temporal para eventos visualizados por pessoas se movimentando umas em relação às outras é diferente. Como você vai ver mais adiante, o espaço-tempo é a morte do conceito de simultaneidade.

Matéria
A definição mais básica de matéria é que ela é qualquer coisa que ocupe espaço. Qualquer objeto que você possa ver, tocar ou mover ao aplicar uma força é matéria. A maioria das pessoas provavelmente se lembra do que aprendeu na escola que a matéria é composta por milhões e bilhões de átomos aglomerados. A água, por exemplo, é o composto H₂O, o que significa que dois átomos de hidrogênio combinados com um átomo de oxigênio forma uma molécula de água.

Para entender por completo a matéria, vamos dar uma olhada no átomo. Agora é aceito que os átomos são compostos por três partículas chamadas de nêutrons, prótons e elétrons. Os nêutrons e os prótons são encontrados no núcleo (centro) do átomo, enquanto os elétrons vivem em camadas ao redor deste núcleo. Os nêutrons são partículas pesadas, mas sem carga elétrica (eles são neutros). Os prótons, por sua vez, também são partículas pesadas, mas têm carga positiva. Já os elétrons são partículas leves e carregadas negativamente. Há muitas características importantes derivadas da quantidade dessas partículas em cada átomo. Um exemplo disso é que o número de prótons que um átomo possui irá determinar o lugar do átomo na tabela periódica e como ele se comporta no universo físico (consulte o artigo Como funciona a radiação nuclear para saber mais sobre os átomos e as partículas subatômicas).

Movimento
Diz-se que qualquer coisa que esteja mudando sua posição no espaço está em movimento. Como veremos depois, a reflexão sobre o "movimento" permite ou dá origem a alguns conceitos muito interessantes.

Massa
A massa tem duas definições igualmente importantes. A primeira é uma definição geral, que a maioria dos alunos do ensino médio aprende, e a outra é uma definição mais técnica utilizada na física.

Geralmente, a massa é definida como a medida de quanta matéria um objeto ou corpo contém, ou seja, o número total de partículas subatômicas (elétrons, prótons e nêutrons) do objeto. Se você multiplicar sua massa pela força da gravidade da Terra, o resultado é igual ao seu peso. Por isso, se o peso do seu corpo muda quando você come ou se exercita, na verdade, o que está mudando é a sua massa. É muito importante entender que a massa não depende da sua posição no espaço, ou seja, a massa do seu corpo na Lua é a mesma que a sua massa na Terra. A força gravitacional da Terra, por outro lado, diminui conforme você se distancia do planeta, fazendo com que seja possível perder peso ao alterar sua altitude (mas a massa continua a mesma). Outra maneira de perder peso é ir morar na Lua, embora sua massa vá continuar a mesma.

Já na Física, a massa é definida como a quantidade de força necessária para fazer com que um corpo acelere estando bastante relacionada à energia. A massa depende do movimento do corpo em relação ao de um observador. Se um corpo em movimento medisse sua massa, ela seria sempre a mesma. No entanto, se um observador que não está em movimento com esse corpo medisse sua massa, o observador veria um aumento da massa quando o objeto acelera. Isso é chamado de massa relativística. Mas devo dizer que a física, na verdade, parou de utilizar este conceito de massa e agora lida com ela em termos de energia (veja a seção sobre a unificação de massa e energia). Essa definição de massa pode ficar meio obscura, mas é importante que você conheça o conceito. Isso vai ficar mais claro quando falarmos sobre a relatividade especial. O importante mesmo a ser entendido agora é que existe uma relação entre massa e energia.

Energia
A energia é a medida da capacidade que um sistema tem de realizar um "trabalho". Ela existe em várias formas: potencial, cinética, etc. A lei da conservação da energia nos diz que a energia nunca pode ser criada nem destruída, mas convertida de uma forma a outra. Essas formas separadas de energia não são conservadas, mas a quantidade total de energia existente sim. Se você chutar uma bola de futebol para o alto, ela vai ter energia cinética no momento em que começar a se mover. Antes de chutá-la, ela tinha apenas energia potencial, e conforme ela se move, a energia potencial vai sendo convertida em energia cinética. Da mesma maneira, quando a bola atingir o solo novamente, uma parte da energia é convertida em calor (algumas vezes chamado de energia térmica ou energia cinética térmica). Se você pegasse cada fase do movimento da bola e somasse a energia do sistema inteiro, iria descobrir que a sua quantidade de energia foi a mesma em todos os momentos.

Luz
A luz é uma forma de energia e existe em duas estruturas conceituais: ela exibe propriedades que têm características de partículas discretas (por exemplo, a energia é transportada em "blocos") e características de ondas (por exemplo, a difração). Essa divisão é conhecida como dualidade. É importante entender que isso não é uma situação do tipo "ou uma ou outra". A dualidade significa que as características tanto de ondas como de partículas estão presentes ao mesmo tempo na luz. O mesmo raio de luz se comporta como uma partícula e/ou como uma onda dependendo do experimento. Além do mais, a estrutura de partícula (os blocos) pode interagir de maneiras que poderiam ser descritas usando as características de ondas, e a estrutura de ondas pode interagir de maneiras que poderiam ser descritas usando as características de partículas. A forma de partícula é conhecida como um fóton e a forma de onda é chamada de radiação eletromagnética. Vamos olhar primeiro o fóton.

Um fóton é a luz que você vê quando um átomo emite energia. No modelo atômico, elétrons orbitam um núcleo feito de prótons e nêutrons. Há níveis diferentes para os elétrons orbitando o núcleo. Imagine uma bola de basquete com bambolês de vários tamanhos ao seu redor. Nesse caso, a bola de basquete seria o núcleo e, os bambolês, os possíveis níveis de elétrons. Esses níveis também são chamados orbitais. Cada um destes orbitais pode aceitar apenas uma quantidade pequena de energia. Se um átomo absorver energia, um elétron presente em um orbital próximo ao núcleo (um nível mais baixo de energia) irá pular para um orbital mais distante (um nível mais alto de energia) e dizemos que o átomo agora está excitado. Mas essa excitação não costuma durar muito tempo e o elétron acaba voltando à camada inferior, o que faz com que seja liberado um pacote de energia, chamado de fóton ou quanta. Essa energia emitida é igual à diferença entre os níveis de energia alto e baixo e pode ser vista como luz, dependendo de sua freqüência de onda, como veremos mais abaixo.

A forma de onda da luz é, na verdade, uma forma de energia criada por uma carga oscilante. Esta carga consiste de um campo elétrico oscilante e um campo magnético oscilante, razão pela qual recebe o nome de radiação eletromagnética. É importante saber que os dois campos oscilam perpendicularmente um ao outro. A luz nada mais é do que uma forma de radiação eletromagnética, classificada no espectro eletromagnético, de acordo com o número de oscilações completas por segundo que passam os campos magnético e elétrico, algo que chamamos de freqüência. A faixa de freqüência da luz visível é apenas uma pequena porção do espectro, em que o violeta e o vermelho são as freqüências mais alta e mais baixa, respectivamente. Já que a luz violeta tem uma freqüência maior do que a vermelha, dizemos que ela tem mais energia. Se você olhar todo o espectro eletromagnético, verá que os raios gama são os mais energéticos. Mas isso não é nenhuma surpresa, já que ouvimos em todos os lugares que os raios gama têm energia suficiente para penetrar muitos materiais. Esses raios são muito perigosos devido aos danos biológicos que podem causar a você (consulte o artigo "Como funciona a radiação nuclear" para aprender mais sobre a radiação gama). A quantidade de energia depende da freqüência da radiação. O que costumamos chamar de luz é, na verdade, a radiação eletromagnética visível para nós e que também pode ser dividida em freqüências separadas, com níveis de energia correspondentes para cada cor.

Conforme a luz percorre seu caminho pelo espaço, ela geralmente acaba encontrando matéria. Acho que todos sabemos o que é a reflexão, pois podemos ver reflexos brilhantes quando a luz atinge uma superfície lisa e brilhante, como um espelho, por exemplo. Este é um exemplo de como a luz pode interagir com a matéria. Outra maneira da luz interagir com a matéria ocorre quando ela viaja de um meio a outro e é desviada. Essa interação é chamada de refração. Agora, se o meio desvia a luz ou bloqueia certas freqüências, podemos ver cores diferentes. Um arco-íris, por exemplo, ocorre quando a luz do Sol é separada pela umidade do ar. Essa umidade desvia a luz, separando as freqüências e permitindo que vejamos cada uma das cores do espectro de luz. Para conseguir esse mesmo efeito, também podemos usar um prisma. Quando a luz atinge um prisma em determinados ângulos, ela é desviada, o que faz com que seja separada em suas freqüências individuais. Isso ocorre por causa do formato do prisma e do ângulo da luz.

Se você olhar mais de perto o que acontece quando a onda de luz entra no prisma, no segundo diagrama, vai perceber que ela é desviada. Esse desvio ocorre porque a luz viaja mais rapidamente pelo ar do que pelo prisma, o que faz com a que a porção inferior da onda diminua a velocidade ao entrar no prisma. E como a porção superior da onda (ainda no ar) é mais rápida do que a inferior, a onda se curva. De maneira semelhante, quando a onda sai do prisma, a porção superior sai primeiro e começa a viajar mais rápido do que a inferior, que ainda está lá dentro. E essa diferença de velocidade faz com que a onda seja desviada novamente. Imagine um skatista descendo a rua. Se ele fizer uma curva e entrar na grama, seu corpo vai ser arremessado à frente do skate caso sua velocidade seja rápida o bastante. Da mesma forma que o skatista cai, a luz se curva e é desviada quando atravessa os diferentes meios. O skate e o skatista tinham a mesma velocidade até entrarem na grama mas, de repente, o skate fica com uma velocidade menor que a do skatista, fazendo com que este se incline para frente (o skatista tenta continuar a viajar na mesma velocidade que tinha antes das rodas baterem na grama).

Bom, agora que já temos um pequena compreensão da composição da luz, podemos começar a solucionar o conceito (geralmente não explicado completamente) da "velocidade da luz". Como a luz em si é apenas mais uma forma de radiação eletromagnética, a velocidade da luz nada mais é do que um jeito fácil de falar sobre a velocidade da radiação eletromagnética em geral. Se você parar para pensar, a velocidade da luz é a "velocidade da informação". Não dá para percebermos que um evento aconteceu até que a informação a respeito dele chegue até nós. A informação é contida na radiação eletromagnética emitida pelo evento através de um sinal de rádio, brilho de luz, etc. Qualquer evento é apenas um acontecimento no espaço e no tempo, e qualquer tipo de informação que pode ser transmitida sobre um evento é emitida como algum tipo de radiação. A informação (radiação eletromagnética) originada no evento viaja a 299.337 quilômetros por segundo quando está no vácuo. Se imaginar um trem bem grande que começa a se mover, você não espera que o último carro comece o movimento simultaneamente. Há uma quantidade de tempo até que o último carro comece a ser puxado. Da mesma maneira, há um atraso esperado para que o último carro "receba" a informação de que o primeiro carro está se movendo e puxando-o. Esse atraso é análogo à transferência de informações na relatividade especial, mas a relatividade impõe apenas um limite superior na velocidade da informação: a velocidade da luz. Você pode detalhar o exemplo do trem tanto quanto quiser, mas independente de como você faça isso, vai acabar percebendo que não dá para existir uma reação sem que haja um atraso entre a ação e a reação, com o tempo mínimo desse atraso sendo definido pela velocidade da luz. Na seção sobre a relatividade especial, vamos nos aprofundar na compreensão da importância dessa velocidade.