Estampas CiênciArte: Interpretações da Relatividade

Capa: Estampa Interpretações da Relatividade, de Alicia Ivanissevich. Alicita estampas. Licença CC-BY-NC-ND-4.0.

A Coleção Estampas CiênciArte é uma coletânea mensal de estampas com temáticas científicas, expressando as relações ou conexões entre ciência e arte. A coleção tem como fio condutor as estampas criadas pela artista plástica Alicia Ivanissevich que brindou, ao Espaço Ciência Viva e a educadores, algumas de sua bela coleção de estampas científicas para uso não comercial.

Alicia com os produtos criados com as Estampas Alicita.

Estampa Interpretações da Relatividade

Neste mês, a estampa aborda a revolucionária Teoria da Relatividade que nos levou a reinterpretar e reconstruir as clássicas noções fundamentais de tempo, espaço, energia e matéria. A teoria é o resultado de tentar explicar e relacionar várias descobertas e construções teóricas, dentre as quais:

1800
  • 1846 – Urbain Le Verrier e John Couch Adams, estudando a órbita de Urano, calculam independentemente que outro planeta mais distante deveria existir para explicar as variações encontradas. Netuno foi encontrado no momento e posição previstos nos cálculos.
  • 1855 – Le Verrier observa uma precessão excessiva de 35 segundo de arco por século na órbita de Mercúrio e atribui isso à interferência de um outro planeta, mais próximo ainda do Sol. O planeta nunca foi encontrado, ele se chamaria Vulcano.
  • 1876 ​​- William Kingdon Clifford sugere que o movimento da matéria pode ser devido a mudanças na geometria do espaço.
  • 1882 – Simon Newcomb observa uma precessão excessiva de 43 segundos de arco por século na órbita de Mercúrio, maior do que observado por Le Verrier.
  • 1887 – Albert A. Michelson e Edward W. Morley em seu famoso experimento não detectam efeito do Éter.
  • 1893 – Erbst Mach afirma o princípio de Mach; primeiro ataque construtivo à ideia de espaço absoluto newtoniano.
  • 1898 – Henri Poincaré afirma que a simultaneidade é relativa.
  • 1899 – Hendrik Antoon Lorentz publica as transformações de Lorentz.
1900
  • 1904 – Henri Poincaré apresenta o princípio da relatividade para o eletromagnetismo.
  • 1905 – Albert Einstein conclui sua teoria da relatividade especial e afirma a Lei da Conservação da Massa-Energia: E = mc 2
  • 1907 – Albert Einstein introduz o princípio da equivalência da gravitação e da inércia e usa-o para prever o desvio gravitacional para o vermelho.
  • 1915 – Albert Einstein conclui sua teoria da Relatividade Geral. A nova teoria explica os estranhos movimentos de Mercúrio que confundiram Urbain Le Verrier e dá um adeus ao planeta Vulcano.
  • 1915 – Karl Schwarzschild publica a sua métrica cerca de um mês depois que Einstein publicou sua teoria geral da relatividade. Esta foi a primeira solução para as equações de campo de Einstein além da solução trivial de espaço plano.
  • 1916 – Albert Einstein mostra que as equações de campo da relatividade geral admitem soluções ondulatórias.
  • 1918 – J. Lense e Hans Thirring descobrem a precessão gravitomagnética dos giroscópios nas equações da relatividade geral.
  • 1919 – Arthur Eddington lidera duas expedições ao Eclipse Solar que detectam a deflexão gravitacional da luz pela massa do Sol. Os ingleses Andrew Crommelin e Charles Davidson vieram à Sobral, Ceará, e os colegas Arthur Eddington e Frank Dyson foram à Roça Sundy, em Príncipe, África do Sul. Veja a Exposição Eclipse de Sobral – 100 Anos.

“a questão que minha mente formulou foi respondida pelo radiante céu do Brasil”, Albert Einstein.

  • 1921 – Theodor Kaluza demonstra que uma versão pentadimensional das equações de Einstein unifica a Gravitação e o Eletromagnetismo.
  • 1937 – Fritz Zwicky afirma que as Galáxias podem atuar como Lentes Gravitacionais.
  • 1937 – Albert Einstein, Leopold Infeld e Banesh Hoffmann mostram que as equações geodésicas da relatividade geral podem ser deduzidas de suas equações de campo.
Anel de Einstein. Efeito luminoso de uma lente gravitacional. Fonte Telescópio Hubble/NASA.

A Teoria da Relatividade Especial completou um centenário em 2005 e a Relatividade Geral (Gravidade) em 2015. E vem sendo comprovada, explicando inúmeros fenômenos, corrigindo observações errôneas e antecipando coisas que a Ciência nunca imaginara antes.

Uma revolução que mudou o mundo, desde bombas cataclísmicas até a nossa atual compreensão do Universo.

  • A explicação de irregularidades na órbita de Mercúrio, afastando de vez a hipótese de um planeta Vulcano próximo ao Sol.
  • A correção das observações da órbita de Netuno, identificando os dados erroneamente coletados e preservando os cálculos teóricos.
  • Até chegarmos à primeira imagem de um buraco-negro.
  • Imagens do efeito de lente gravitacional em determinadas regiões do espaço.

As ideias revolucionárias da teoria também tem inspirado artistas neste século a expressar artística e metaforicamente essas ideias como: contração do espaço, dilatação do tempo, gravidade desviando a luz, múltiplas dimensões, espaços alternativos, enfim, um conjunto de ideias incríveis a inspirar as artes, a ciência e a ficção-científica e a imaginar utopias e distopias do futuro do Universo e da Humanidade.

O Espaço-Tempo-Matéria-Energia como inspiração

Interpretações da Relatividade, de Alicia Ivanissevich . Alicita estampas. Licença CC-BY-NC-SA-4.0.

Na estampa, Alicia expressa a curvatura do espaço-tempo com a famosa fórmula E = mc2 que relaciona energia e massa, conectadas pela velocidade da luz. A massa se relaciona ao espaço-tempo, pois objetos supermassivos com intensa gravidade podem curvar o espaço-tempo ao seu redor.

Equação de Campo de Einstein. Lado esquerdo diz ao espaço/tempo como curvar o espaço.
Lado direito diz à matéria/energia como se mover no espaço-tempo curvo.

LIEDEN: FÓRMULAS FÍSICAS POÉTICAS NAS RUAS

Para valorizar a sua grande história científica, a cidade neerlandesa de Leiden (Leida), nos Países Baixos, criou percursos literários poéticos de rua, de modo que ao passear pela cidade, você pode folhear as páginas de seus poemas em murais em vários prédios da cidade. 

Mais de uma centena de murais com poemas compõem o percurso literário, criado em 1992 pela fundação Tegen Beeld em conjunto com o museu Het Taalmuseum, em resposta à tradicional arte urbana centrada em quadros. Cada peça foi escrita no idioma do autor, incluindo japonês, russo, árabe, hebraico, mandarim, catalão e 33 outros.

A MATEMÁTICA É PURA POESIA

Em 2018, Ivo van Vulpen e Sense Jan de Molen sugeriram adicionar outra linguagem ao projeto de poemas de parede de Leiden: a Matemática, a linguagem do Universo, como afirmava Galileu Galilei

As fórmulas são poemas matemáticos sobre a Física do Universo.

Leiden tem uma rica história de descobertas e criações teóricas em Física. Heike Kamerlingh Onnes, Hendrik Lorentz e Pieter Zeeman, por exemplo, ganharam o Prêmio Nobel pela descoberta da supercondutividade e do Efeito Zeeman. E a famosa lei óptica de refração da luz (Lei de Snellius), por exemplo, está nos livros escolares em todo o mundo desde o início do século 17. 

A Fundação Tegen-Beeld adorou a proposta, projetou e pintou oito fórmulas de Física inovadoras nas paredes da cidade, cujos autores trabalharam ou estudaram na Universidade de Leiden

Cada uma dessas equações conta uma História da Natureza

Cada fórmula é uma conexão entre variáveis que regem diferentes fenômenos físicos.

Ler uma fórmula é contar uma história.

Vamos caminhar por elas. 

Lei de Refração da Luz de Snellius.
Willebrord Snel van Royen (Snellius) (1580-1626)

Explicação: Um raio de luz muda de direção na transição para um meio diferente, por exemplo, do ar para a água. Isso cria a ilusão de ótica de um canudo estalado em um copo de limonada. Os índices de quebra (n) dos respectivos meios determinam o ângulo (θ) de deflexão.

Leiden: Snell foi professor em Leiden. Ele fez pesquisas em várias disciplinas científicas, incluindo geometria e óptica. Ele usou a triangulação para medir a circunferência da Terra e desenvolveu sua famosa lei de refração.

  

Força de Lorentz.
Hendrik Lorentz (1853-1928)

Explicação: A força de Lorentz (F) desvia uma partícula carregada (q) dentro de um campo magnético (B). Dentro de um campo elétrico (E), a partícula experimenta adicionalmente uma aceleração.

Leiden: Lorentz era professor de física em Leiden. Ele fez várias descobertas importantes aqui. Ele deduziu, por exemplo, que os objetos ficam menores à medida que atingem a velocidade da luz (contração de Lorentz) e descreveu junto com Pieter Zeeman o efeito Zeeman, pelo qual receberam o Prêmio Nobel em 1902. Ele já havia previsto esse efeito antes com sua força de Lorentz .

Constantes de Oort.
Jan Oort (1900-1992)

Explicação: A menos B fornece a velocidade angular do Sol (v Θ / R Θ ) em torno do centro da Via Láctea. A mais B dá a diminuição na velocidade (- [dv / dR] R Θ ) das estrelas próximas à medida que estão mais longe do centro. Esse valor revelou-se surpreendentemente baixo e lançou a busca pela misteriosa ‘matéria escura’, que continua até hoje. Os cientistas podem determinar os valores de A e B a partir de observações, ao contrário de seus componentes individuais. 

Leiden: Oort era um professor de astronomia em Leiden. Ele descobriu que previu a existência da nuvem de Oort – uma coleção gigante de pequenos objetos espaciais girando em torno do Sol em uma órbita cerca de 100.000 vezes maior que a da Terra. Além disso, ele formulou as constantes de Oort, a partir das quais calculou o período da órbita do nosso Sol em torno do centro da Via Láctea: mais de 200 milhões de anos.

Pêndulo de Huygens.
Christiaan Huygens (1629-1695)

Explicação: A fórmula do pêndulo de Huygens descreve a conexão entre o comprimento de um pêndulo e o tempo que leva para oscilar da esquerda para a direita e vice-versa. Esse período, descobriu Huygens, só é determinado pelo comprimento do pêndulo e pela gravidade.

Leiden: Christiaan Huygens estudou direito e matemática na Universidade de Leiden de 1645 a 1647. Em 1673, ele publicou a fórmula que relaciona o período da oscilação ao comprimento do pêndulo. O tempo preciso tornou-se muito importante para a astronomia, navegação e também para a própria física. Huygens realmente patenteou seu relógio de pêndulo.

Contração de Lorentz.
Hendrik Lorentz (1853-1928)

Explicação: O comprimento real de um objeto é o comprimento original em repouso (L 0 ) vezes um fator menor que um, que está relacionado à sua velocidade (v). Quanto mais rápido um objeto viaja, menor é o chamado fator de Lorentz (inverso) e, portanto, menor é o seu comprimento. Ou vice-versa: quanto mais rápido um observador está viajando, menores se tornam todos os objetos estacionários. Einstein usou a contração de Lorentz em sua teoria da relatividade especial.

Leiden: Lorentz foi professor de física em Leiden. Além da contração de Lorentz, ele fez várias outras descobertas importantes. Ele descreveu o efeito Zeeman junto com Pieter Zeeman, pelo qual receberam o Prêmio Nobel em 1902. Anteriormente, ele descobriu a força Lorentz, que fornece uma explicação teórica para o efeito Zeeman.

Spin do Elétron.
Samuel Goudsmit (1902-1978) – George Uhlenbeck (1900-1988)

Explicação: Os elétrons são pequenas partículas orbitando um núcleo atômico. Além da carga elétrica e da massa, eles possuem uma terceira propriedade que é crucial para nossa compreensão de seu comportamento: o spin. A única maneira de descrever corretamente o spin é por meio da mecânica quântica. No entanto, você pode imaginar o conceito pensando em um elétron que gira – na verdade, gira – em torno de seu eixo. A magnitude do spin de um elétron é dada por ℏ vezes a metade. (ℏ é a constante de Planck dividida por 2𝜋.) O fenômeno especial aqui é que os elétrons só vêm em duas versões: eles giram no sentido horário (giram para baixo, ou Sz = -1 / 2 * ℏ), ou anti-horário (giram para cima, ou S z = + 1/2 * ℏ).

Leiden: Samuel Goudsmit e George Uhlenbeck obtiveram seu mestrado e doutorado na Universidade de Leiden. Juntos, eles perceberam que os elétrons devem ter a propriedade de spin e que isso só pode assumir dois valores (para cima e para baixo).

Equação de estado de Van der Waals.
Johannes Diderik van der Waals (1837-1923)

Explicação: A equação de Van der Waals descreve a ligação entre temperatura (T), pressão (p) e volume (V) de um gás. R é a constante do gás e n é o número de moléculas de gás, expresso em moles. Uma equação que fazia isso já existia, mas não conseguia explicar uma série de medições e fenômenos, como a condensação de fluido de um gás. A equação de estado aprimorada de Van der Waals sim. Van der Waals raciocinou que os átomos ou moléculas de um gás ocupam um certo volume. Este é o termo nb na equação. Além disso, as partículas podem “sentir-se” umas às outras: elas se atraem ou se repelem. Essas forças, mais tarde denominadas forças de Van der Waals, são contabilizadas ou pelo termo an 2 / V 2 .

Leiden: Van der Waals descreveu a equação em sua tese de doutorado ‘Over de Continuïteit van den Gas-en Vloeistoftoestand’ (Sobre a continuidade do estado gasoso e líquido), que ele defendeu em 1873 na Universidade de Leiden. Em 1877, ele foi o primeiro professor de física da Universidade de Amsterdã.

Equação de campo de Einstein.
Albert Einstein (1879-1955)

Explicação: Einstein postulou que cada objeto (de uma maçã a um planeta) curva o espaço ao seu redor. Isso significa que os objetos se atraem – a famosa lei da gravidade – mas também dobram a luz. A luz das estrelas, portanto, viaja além de um pesado corpo celestial em um caminho curvo. A fórmula de Einstein – as chamadas equações de campo da teoria da relatividade geral – descreve como o espaço é deformado (lado esquerdo) por um objeto dentro desse espaço (lado direito).

Leiden: Einstein foi um professor extraordinário em Leiden e frequentemente residia aqui para colaborar com seus colegas de Leiden. Embora ele não tenha deduzido essa fórmula em Leiden, o terceiro componente – a constante cosmológica ‘Λ’ – é uma consequência direta das discussões com o professor Willem de Sitter de Leiden.

Pôsteres Física: Pi Institut

O PI Perimeter Institut divulga uma série de pôsteres educativos em Física, incluindo a série FORÇAS DA NATUREZA que apresenta as fantásticas mulheres que contribuíram para uma compreensão atual das Forças do Universo. Além disso, possuem recursos educativos com propostas para discussão da Física do Universo.

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Desafio Alicita

Para finalizar, observe os detalhes da Via Láctea da Alicita Estampas, e descubra com quantas estrelinhas essa Via Láctea foi feita!

Via Láctea, de Alicia Ivanissevich. Alicita estampas. Licença CC-BY-NC-SA-4.0

Desafio FormulArte

Como a artista Penelope Rose Conley que expressou artisticamente o conceito de ondas gravitacionais.

Escolha sua fórmula favorita.

Estude seu significado.

Transforme a Fórmula em Arte.

Conte essa fórmula-história em Arte.

Referências

– Fórmulas nas paredes de Leiden. https://muurformules.nl/

– Rotas temáticas de murais de Leiden. https://muurgedichten.nl/en/routes

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