Como você deve saber, para Aristóteles a Terra era o centro do universo. Objetos pesados caíram naturalmente em direção à Terra e objetos leves naturalmente se afastaram dela. Na Teoria Geral da Relatividade esta visão do movimento é ressuscitada.
Galileo, Newton e outros desenvolveram uma visão diferente. Crucial a este ponto de vista é que existe um espaço absoluto.
“Espaço absoluto, em sua própria natureza, sem relação com nada externo, permanece sempre semelhante e imóvel. O espaço relativo é alguma dimensão móvel ou medida dos espaços absolutos; que os nossos sentidos determinam pela sua posição em relação aos corpos… porque as partes do espaço não podem ser vistas, ou distinguidas umas das outras pelos nossos sentidos, lá no seu lugar usamos medidas sensíveis delas… mas na disquisição filosófica, devemos abstrair dos nossos sentidos, e considerar as coisas em si, distintas do que são apenas medidas sensíveis delas”. — Newton, Principia I, Motte trans.
A Primeira Lei de Newton declarou que:
“Cada corpo continua em seu estado de descanso, ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja compelido a mudar esse estado por forças impressas nele”. — Ibid
Este é frequentemente chamado o Princípio da Inércia.
Esta “Lei” é sempre verdadeira? Claro que não. Imagine você sentado em um carro em um semáforo vermelho. Um par de dados está pendurado no espelho retrovisor; é opcional que os dados fiquem confusos. Ao sentar-se ali, os dados estão em repouso em relação a si. As únicas forças que agem sobre os dados são a força da gravidade puxando-os para baixo e a corda puxando-os para cima. Estas duas forças são iguais em magnitude, então a força total sobre os dados é exatamente zero. Imaginamos que o carro está virado para a direita.
A luz fica verde e o motorista pisa no gás. Os dados oscilam em direcção à traseira do carro. Então a Primeira Lei de Newton não é verdadeira: num momento os dados estão parados e no momento seguinte eles começam a oscilar em direção à traseira do carro, embora nenhuma força da rede esteja agindo neles.
Agora imagine que você está de pé na calçada observando o carro. Enquanto está sentado no sinal vermelho, os dados estão parados em relação a você. Quando a luz fica verde e o carro começa a acelerar para a direita, os dados permanecem parados em relação a você até que a força exercida sobre eles pelo fio os força a seguir o movimento do carro. Então a Primeira Lei de Newton é verdadeira quando você está na calçada, mas não é verdadeira quando você está sentado no carro.
Então vemos que para usar a análise do movimento de Newton, devemos nos restringir apenas a certos pontos de vista, certos quadros de referência. Os quadros de referência onde a análise de Newton funciona são chamados de quadros de inércia. São frames onde o Princípio da Inércia é verdadeiro.
Para Newton, havia um frame inercial “mestre”: um frame estacionário em relação ao espaço absoluto. E qualquer quadro de referência que se mova a uma velocidade uniforme numa linha recta em relação a este quadro inercial mestre será também um quadro inercial na análise de Newtonian. Qualquer quadro de referência que esteja acelerando em relação ao espaço absoluto, como o quadro do carro quando a luz fica verde e o motorista pisa no gás, não será inercial.
Agora imagine que você está andando no carro a, digamos, 100 km/hr em uma estrada reta. Os dados estão pendurados sem movimento no espelho retrovisor. O princípio da inércia é verdadeiro para você. Um segundo observador está parado ao lado da auto-estrada, vendo o carro passar. Para ela os dados estão se movendo em movimento uniforme em linha reta. Então o segundo observador também está em uma moldura inercial.
Neste caso, uma boa pergunta é: quem está se movendo? E a resposta é que você está se movendo em relação ao observador ao lado da rodovia, mas o observador ao lado da rodovia está se movendo em relação a você. Então ambos estão a mover-se um em relação ao outro.
Bambos a sua moldura inercial e a sua moldura inercial são igualmente “válidos”. Esta realização é muitas vezes chamada de relatividade galiléia. Uma ilustração clássica é uma bola de canhão largada do mastro de um navio em movimento. Do ponto de vista de um observador em terra, a bola cai com uma aceleração uniforme para baixo enquanto se move com velocidade constante no sentido horizontal. Para um marinheiro no navio, no entanto, a bola de canhão parece cair diretamente para baixo. Para ambos os observadores, a bola de canhão aterra na base do mastro. Uma pequena animação Flash desta circunstância está disponível aqui.
Se você estiver andando no carro a 100 km/hr e o motorista colocar os freios, os dados irão balançar em direção à frente do carro. Assim, durante a desaceleração você não está em uma moldura inercial. O observador ao lado da estrada verá os dados continuarem a mover-se a uma velocidade constante em linha recta até que o fio os force a abrandar com o carro.
Simplesmente, se o carro continuar a mover-se a 100 km/hr mas contornar uma curva à direita, os dados irão oscilar para a esquerda. Então, durante a curva, você não está novamente em uma moldura inercial. Novamente para um observador ao lado da estrada o Princípio da Inércia permanece verdadeiro para os dados.
Quando foi provado por Young no início do século XIX que a luz era uma onda, surgiu a questão de saber exatamente o que estava acenando? Para outras ondas há um meio que está acenando. Para ondas sonoras, o meio é o ar; para ondas aquáticas, o meio é a água. Postulou-se que havia um médium para as ondas de luz, que era chamado de éter luminífero. Acreditava-se que essa substância era sem massa e homogênea em todo o universo. Parece natural associar este éter luminífero ao espaço absoluto que Newton havia proposto muito antes.
A análise de Newton então, e toda a Física que se seguiu, funciona em uma moldura fixada no espaço absoluto, ou fixada equivalentemente em relação ao éter, e também em qualquer moldura movendo-se em movimento uniforme em linha reta em relação a este espaço absoluto. O resultado final é: Só podemos fazer Física nestes quadros de referência inercial.
Em 1905, a Teoria Especial da Relatividade de Einstein lançou uma bomba na visão Newtoniana. Ele fez o conceito de éter, e a idéia relacionada de espaço absoluto, “supérfluo”
Sabemos que existem quadros em que o Princípio da Inércia é verdadeiro, e que só podemos fazer Física em tal quadro. Mas sem um quadro inercial absoluto “mestre” somos reduzidos a um argumento circular:
- Só podemos fazer Física em quadros de referência inercial.
- Quadros de referência inercial são quadros nos quais o Princípio da Inércia é verdadeiro.
Mas o Princípio da Inércia é em si mesmo uma das leis da Física. Portanto, essencialmente estamos dizendo que as leis da Física são verdadeiras em quadros em que as leis da Física são verdadeiras. É talvez surpreendente que a Física, baseada nesta tautologia, funcione de todo. Mas ela funciona muito bem.
Talvez você queira muse sobre o fato de que pós-1905 podemos dizer que não só o movimento uniforme é relativo, mas também a aceleração. Se dois observadores estão acelerando com respeito um ao outro, não podemos dizer qual deles está “realmente” acelerando porque não há um quadro absoluto com o qual possamos comparar os movimentos dos dois observadores. No entanto, sabemos que se um destes observadores está num quadro de referência inercial, então o outro não está.
Considerações de aceleração relativa é um tópico da Teoria Geral da Relatividade de Einstein de 1916.
Por que a galinha atravessou a estrada?
Aristóteles: É a natureza das galinhas para atravessar a estrada. Newton: Porque nenhuma força fez com que o estado da passagem uniforme das galinhas mudasse. Einstein: A galinha está a atravessar a estrada ou a estrada está a passar por baixo da galinha?