Correio do Minho

Braga, quarta-feira

Einstein: Buracos Negros, GPS, Lasers, Tecnologia Fotovoltaica e Energia Nuclear

O CODIS fala

Ideias

2019-04-13 às 06h00

Vasco Teixeira

Aimagem de um Buraco Negro mostrada ao mundo esta semana vem confirmar as previsões teóricas de Einstein feitas há 100 anos.
As contribuições para a ciência e tecnologia do físico teórico Albert Einstein (1879-1955) são inúmeras e muitas das tecnologias que utilizamos no nosso quotidiano só são possíveis pelas suas descobertas científicas há pouco mais de 100 anos. Einstein recebeu o prémio Nobel em 1921. Toda a população já ouviu falar deste físico brilhante e da Teorias que desenvolveu em 1905 (Relatividade Restrita) e em 1915 (Teoria da Relatividade Geral), mas a maior parte desconhece que estas descobertas e outras que Einstein nos deixou tiveram aplicações reais de que dependemos hoje em dia (por exemplo a energia solar fotovoltaica, a energia nuclear, o funcionamento do GPS, equipamentos de eletrónica e lasers, etc).
A ONU proclamou 2015 (ano que coincidiu com alguns aniversários relevantes na história da ciência) como o Ano Internacional da Luz, para celebrar a Luz como tema de extraordinária importância nas ciências e no desenvolvimento tecnológico (aplicações da ótica e fotónica). A Luz (radiação eletromagnética) permite a vida (pois realiza a fotossíntese). A Luz apresenta-se em várias formas de radiação - comprimentos de onda - e temos assim, a radiação visível, a radiação ultravioleta, raios X, micro-ondas, etc). Em 1915 Einstein publicou a teoria da Relatividade Geral, explicando o comportamento da “luz no espaço e no tempo”. Em 1815 Fresnel apresentou a teoria da “natureza ondulatória da luz”. Em 1865 Maxwell publicou a sua teoria do Eletromagnetismo, que unifica a Eletricidade e o Magnetismo, mostrando que a “luz é uma onda eletromagnética”. E em 1965 Arno Penzias e Robert Wilson descobrem a Radiação Cósmica de Fundo, “a luz mais antiga do Universo” (a radiação emitida no Big Bang ocorrido há 13,8 mil milhões de anos); sendo também o ano em que Charles Kao apresentou a tecnologia das fibras óticas.
O prémio Nobel atribuído distinguiu-o pela sua explicação da teoria do efeito fotoelétrico, talvez uma das suas maiores contribuições para a inovação tecnológica. Este fenómeno, descoberto pelo físico alemão Heinrich R. Hertz (1857-1894) em 1887, ocorre quando a radiação (luz visível, luz ultravioleta, raios X, etc) atinge a superfície de determinados materiais, provocando a ejeção de eletrões.
A aplicação deste efeito resultou na construção de células fotovoltaicas com eficiência suficiente para produzir eletricidade (inicialmente para permitir autonomia em satélites) e já mais recentemente serem usadas nos painéis fotovoltaicos que temos nos nossos telhados ou para iluminação LEDs de postes de iluminação.
Einstein demonstrou que existia uma constante universal (a constante de Planck) que se deveria manifestar em variados fenómenos físicos que envolvessem interação com a luz. Para explicar o efeito fotoelétrico, Einstein considerou o feixe da radiação como um conjunto de partículas (cada uma com energia igual à frequência da radiação multiplicada pela constante de Planck). Esta teoria levou Niels Bohr (1885-1962) ao desenvolvimento do seu modelo atómico, que teve como consequência o aparecimento da teoria da mecânica quântica.
O primeiro LASER (sigla em inglês para “amplificação da luz por emissão estimulada de radiação”) foi fabricado no início dos anos 1960, mas a possibilidade teórica do seu fabrico surgiu num artigo de Einstein publicado em 1916. As aplicações em tecnologia dos lasers são hoje inúmeras (desde leitores de CDs e de código de barras, na medicina, corte laser, etc).
Uma aplicação impressionante da relatividade restrita é a que resultou da famosa equação E=mc2, também conhecida como equivalência massa-energia de um corpo. É na base desta “simples” equação que temos o desenvolvimento da energia nuclear (e também outras utilizações não pacificas como a bomba atómica).
Na Teoria da Relatividade Restrita (que usa o conceito espaço-tempo), Einstein demonstra que a velocidade da luz é constante e explica que as leis da física são as mesmas para todos os observadores. As leis da mecânica (clássica) de Newton são apenas um caso particular da teoria de Einstein. Einstein postulou que também deveria poder ser aplicada a observadores com velocidade variável. Desenvolve, assim, a Teoria da Relatividade Geral. Atribui a queda dos corpos ao facto do espaço ser curvo (a matéria-energia deforma o espaço-tempo). A sua teoria associa os conceitos de matéria, energia, espaço e tempo e permite explicar o fenómeno universal da gravitação, descrevendo não só a queda de uma pedra e a órbita da Lua mas também os buracos negros. Entre as suas previsões, uma foi comprovada no eclipse total do Sol em 1919. Verificou-se a curvatura de um feixe de luz ao passar nas proximidades de um corpo de grande massa, o Sol (num buraco negro essa curvatura é tão grande que a própria luz é totalmente atraída).
Uma aplicação muito atual da teoria da relatividade liga-se ao correto funcionamento do GPS (Sistema de Posicionamento Global). Os dados enviados para os aparelhos de GPS baseiam-se essencialmente em distâncias e tempos. Os relógios atómicos presentes nos satélites sofrem efeitos devidos ao campo gravitacional (o tempo “passa mais rápido”, adiantamento de 45 microssegundos) e à velocidade do satélite (o tempo “fica mais lento”, atraso de 7 microssegundos). Sem a correção, cujo cálculo depende das teorias da relatividade geral e restrita, o GPS poderia apresentar um erro de aproximadamente 11 mil metros por dia.

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