Einstein

Palestras até agora
1) O cisne negro – dezembro/2008
2) Teoria dos jogos – maio/2009
3) Teoria da evolução – outubro/2009
4) Criação imperfeita – agosto/2010
5) Einstein, a relatividade especial e outras coisas maio/2011.
2
Palestras futuras
1) A arte refinada de detectar tolices – 25/ago./2011
2) Einstein e a relatividade geral – outubro/2011
3) Einstein e a mecânica quântica – maio/2012
4) Profecias do fim do mundo – 12/12/2012
5) A ciência de Jornada nas Estrelas - maio/2013.
3
Plano da palestra
1) Um pouco sobre Einstein
2) A relatividade especial
3) E=mc
2
4) Efeito fotoelétrico
5) Movimento browniano.
4
-1Um pouco sobre
Einstein
5
Primeiros anos
●
●
●
1979: Albert nasce em Ulm,
na Alemanha.
1880: A família Einstein se
muda para Munique.
Hermann Einstein funda a
“Einstein & Cia”.
1894: A família se muda para
Milão.
6
Adolescência
●
●
●
1895: Einstein não passa no
exame para a Politécnica de
Zurique (ETH).
1896: Abre mão da
cidadania alemã, para
escapar do serviço militar.
1896: Ingressa na
Politécnica de Zurique.
7
O mito das notas baixas...
8
Einstein recém-formado, 1900
●
●
Um “aluno preguiçoso”,
segundo Minkowski.
Rejeitado em todos os postos
acadêmicos que solicitou.
●
Professor particular.
●
Condições precárias de vida.
9
1901 - 1905
●
●
●
●
1901: Einstein obtém cidadania
suíça.
1902: Nasce Lieserl, filha de
Einstein e Mileva Maric.
Entregue para adoção.
a
1902: Perito técnico de 3 classe
no escritório de patentes de
Berna, Suíça.
Tese de doutorado rejeitada.
10
O escritório de Einstein em Berna
11
1905: o “Ano Milagroso”
●
●
Ainda trabalhando no escritório de patentes,
Einstein publica 4 artigos revolucionários.
Três grandes problemas abertos são
resolvidos:
–
Compatibilidade entre a mecânica clássica e a
eletrodinâmica.
–
Explicação do efeito fotoelétrico.
–
Determinação das dimensões moleculares.
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Os artigos de 1905
1)“Uma nova determinação das dimensões moleculares”, 30
de abril (tese de doutorado, finalmente aceita).
2)“Sobre um ponto de vista heurístico relativo à produção e
transformação da luz”, 9 de junho.
3)“Sobre o movimento de pequenas partículas suspensas
em um líquido estacionário...”, 18 de julho.
4)“Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento”, 30
de junho.
5)“E=mc2”, 21 de novembro.
13
-2A teoria da
relatividade especial
14
Problema
●
Como compatibilizar a mecânica de Newton
e a eletrodinâmica de Maxwell?
15
Sir Isaac Newton (1643 – 1727)
●
●
1666: fugindo da Peste,
refugia-se em Lincolnshire.
1687: publica “Philosophiæ
Naturalis Principia
Mathematica”, no qual
apresenta as leis do
movimento e a lei da
gravitação universal.
16
James Clerk Maxwell (1831 - 1879)
●
●
●
1861: 20 equações
diferenciais a 20
incógnitas.
1864: a luz é uma onda
eletromagnética!
1873: formalização do
eletromagnetismo em 4
equações.
17
As equações de Maxwell
18
Ondas eletromagnéticas
19
Galileu Galilei (1564 – 1642)
●
●
Relatividade galileana.
Funciona bem para baixas
velocidades.
20
Relatividade galileana
21
Transformações de Galileu
Nas palavras de Newton:
“o tempo absoluto, verdadeiro e matemático, por si
mesmo e por sua própria natureza, flui
igualmente sem relação com nada de externo...”.
 x' = x − vt

 t' = t
22
Relatividade galileana
23
Einstein aos 16 anos:
●
“O que aconteceria se conseguíssemos viajar
em um raio de luz?”
24
Os precursores da relatividade
●
●
●
George FitzGerald (1851 – 1901): propôs a
contração dos corpos em movimento (1899).
Hendrik Lorentz (1853 – 1928): teoria dos
elétrons (1892).
Henri Poincaré (1854 – 1912): propôs o
princípio da relatividade como lei
fundamental da natureza (1902).
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Os dois princípios básicos
●
●
“As leis da física têm a mesma forma em
todos os sistemas inerciais de referência”.
“A velocidade da luz é a mesma em todos os
sistemas de referência”.
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A velocidade da luz no vácuo
c=
1
µ 0ε 0
27
Relatividade einsteiniana
28
Transformações de Lorentz
x − vt

x
'
=

2
v

1− 2

c

2
 t ' = t − vx / c
2

v

1− 2
c

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Consequências
●
Dilatação do tempo
(o tempo é relativo).
●
Contração dos corpos.
●
Aumento da massa.
●
O éter luminífero não existe.
●
O espaço passa a ter quatro
dimensões: o espaço-tempo de
Minkowski.
30
O paradoxo dos gêmeos
31
O experimento de Hafele-Keating
●
●
●
●
1971. Relógio atômico de césio a bordo de um
avião comercial.
Duas voltas completas em torno da Terra.
Primeiro para o leste, depois para o oeste.
Medições comparadas com os de um relógio em
terra, no Observatório Naval dos EUA.
Resultados de acordo com relatividade especial
+ relatividade geral.
32
-32
E=mc
33
Aumento da massa com a velocidade
34
Pergunta:
De onde vem a
massa adicional?
35
Resposta:
Só pode vir da
energia adicional
para acelerar a
partícula!
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2
E=mc na mente popular
37
2
E=mc na mente popular
38
39
40
41
42
-4O efeito fotoelétrico
43
Efeito fotoelétrico
●
●
Descoberto por
Heinrich Hertz (1857 –
1894) em 1888.
A luz de alta frequência
arranca elétrons de
superfícies metálicas.
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Propriedades do efeito fotoelétrico
●
●
●
Quanto mais intensa luz, mais elétrons ela
deveria liberar.
Contudo, abaixo de certa frequência, mesmo
luz muito intensa não libera elétron algum.
Além disso, acima dessa frequência, mesmo
luz muito fraca libera elétrons.
45
A solução de Einstein
●
A luz vem em “pacotes” (quanta), cuja
energia é proporcional à frequência:
E = hf
●
A partir de 1926 esses pacotes passaram a se
denominar “fótons”.
46
Rejeição e Nobel
●
A solução de Einstein foi
imediatamente rejeitada
por todos os físicos.
47
Rejeição e Nobel
●
●
A solução de Einstein foi
imediatamente rejeitada
por todos os físicos.
Em 1921, Einstein
recebeu o Nobel por ela.
48
A criação da mecânica quântica
●
●
A quantização da energia havia sido
proposta por Max Planck (1858 – 1947) em
1900, para resolver outro problema.
Contudo, Planck considerava a quantização
um passo mais formal do que fundamental.
49
Mudanças e Paradigmas
“Uma nova teoria não triunfa
por conseguir convencer os
seus adversários, mas sim
porque estes acabam morrendo
e as novas gerações são
educadas de acordo com as
novas teorias".
(Max Planck)
50
Einstein e a nova mecânica quântica
“Deus não joga dados
com o Universo. Ele é
sutil, mas não maldoso”
(Albert Einstein, 1926)
51
-5Movimento
browniano
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Movimento browniano
●
●
●
Descoberto pelo botânico
Robert Brown (1773 –
1858) em 1927.
Movimento aleatório de
partículas suspensas em
um fluido (líquido ou gás).
O movimento nunca cessa.
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A contribuição de Einstein
●
●
●
Solidificou a teoria atômico-molecular da
estrutura da matéria.
Forneceu uma estimativa do número de
Avogadro, mas tarde verificada
experimentalmente por Jean Perrin.
O movimento resulta de desequilíbrios
instantâneos entre as moléculas do fluido
que empurram as partículas.
54
Einstein após 1905
●
●
1910: Professor na Universidade Alemã
de Praga (hoje Charles University).
1913: Professor da Universidade de
Berlim, Alemanha.
●
1916: Publica a Relatividade Geral.
●
1919: Casa-se com Elsa Löwenthal.
●
1933: “Incentivado” por Hitler,
Einstein deixa a Alemanha e se radica
em Princeton, EUA.
55
56
Mercer Street, 112, Princeton
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Afinal, por que devemos saber disso?
Ítalo Calvino (1923 – 1985):
“A única razão que se pode
apresentar é que ler os clássicos
é melhor do que não ler os
clássicos.” (1981)
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Para saber mais
Abraham Pais
“Sutil é o Senhor, a ciência e a
vida de Albert Einstein”, Nova
Fronteira, 1995.
59
Para saber mais
Andrew Robson (org.)
“Einstein – os 100 anos da teoria
da relatividade”, Campus, 2005.
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Ufa! É o Fim!
Obrigado
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