As contribuições de Einstein para a ciência trouxeram uma grande quantidade de quebra de paradigmas na medida em que ele esteve envolvido diretamente no tratamento dos fenômenos que expuseram os limites de escala de validade da mecânica clássica (notadamente com respeito à cinemática, à mecânica e à gravitação, tendo ainda contribuição significativa na mecânica estatística e a descrição de fenômenos complexos como o movimento browniano).Considere as afirmações a seguir que representam fenômenos experimentais que as contribuições Einstein estão relacionadas.I. O tempo nos satélites de GPS passa de forma diferente que na Terra devido a velocidade e distância que orbitam. Para garantir a sua precisão de operação e funcionalidade é necessário a inclusão das correções relativísticas na contagem do tempo.II. A descoberta de Urano só foi possível a partir dos cálculos da Relatividade Geral, que indicaram a posição do planeta a ser explorada pelos telescópios.III. A cinemática relativística foi incorporada à teoria quântica moderna na medida em que elétrons em átomos pesados, principalmente em níveis eletrônicos mais profundos, podem apresentar valores altos para o momento.IV. Einstein é famoso pelo desenvolvimento do chamado princípio de incerteza, que ficou conhecido pelo experimento do gato de Schroedinger - que guarda relação até mesmo com a promissora tecnologia dos computadores quânticos.Dentre as alternativas, assinale aquela que corretamente identifica as afirmações que consistem de interpretações adequadas e que representam quebras de paradigma da produção científica vindos do trabalho de Einstein.
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Física Moderna: contribuições de Einstein e a quebra de paradigmas
Gabarito: letra B. As afirmações I e III estão corretas: a correção relativística do tempo nos satélites de GPS é uma aplicação direta da Teoria da Relatividade de Einstein, e a cinemática relativística é de fato incorporada à teoria quântica para descrever elétrons em átomos pesados. A afirmação II está incorreta porque a descoberta de Urano foi feita por William Herschel em 1781, muito antes da Relatividade Geral (1915), e a afirmação IV está incorreta porque o princípio da incerteza é de Werner Heisenberg, não de Einstein.
A Física Moderna, como o próprio nome sugere, é o conjunto de teorias que surgiram no início do século XX e que revolucionaram a compreensão do espaço, do tempo, da matéria e da energia. As duas grandes colunas dessa revolução foram a Mecânica Quântica e a Teoria da Relatividade, ambas com participação fundamental de Albert Einstein. A Mecânica Quântica nasceu com a hipótese da quantização da energia, proposta por Max Planck para resolver o problema da radiação do corpo negro, e foi estendida por Einstein em 1905 para explicar o efeito fotoelétrico, propondo que a luz é composta por quanta de energia, os fótons. A Teoria da Relatividade, por sua vez, veio em duas partes: a Relatividade Especial (1905), que unificou espaço e tempo e mostrou que a velocidade da luz é constante para todos os observadores, e a Relatividade Geral (1915), que reformulou a gravitação como uma curvatura do espaço-tempo.
A afirmação I é um exemplo clássico e prático da Relatividade. Os satélites de GPS orbitam a Terra a uma altitude de cerca de 20.200 km e a uma velocidade de aproximadamente 3,9 km/s. Segundo a Relatividade Especial, o tempo passa mais devagar para um relógio em movimento (dilatação do tempo), e segundo a Relatividade Geral, o tempo passa mais rápido em um campo gravitacional mais fraco (como é o caso da órbita). Os dois efeitos se somam, resultando em uma diferença de cerca de 38 microssegundos por dia em relação ao tempo na superfície terrestre. Se essa correção não fosse aplicada, o erro de localização acumularia cerca de 10 km por dia, tornando o sistema inutilizável. Portanto, a afirmação I está correta.
A afirmação III trata da incorporação da cinemática relativística à teoria quântica. Em átomos pesados, como o mercúrio ou o ouro, os elétrons das camadas mais internas (próximos ao núcleo) são acelerados a velocidades que são uma fração significativa da velocidade da luz. Nesse regime, os efeitos relativísticos (como o aumento da massa relativística e a contração do comprimento de onda de de Broglie) tornam-se importantes e precisam ser considerados para descrever corretamente os níveis de energia e as propriedades químicas desses elementos. A equação de Dirac, que unifica a mecânica quântica com a relatividade especial, é a base dessa descrição. Portanto, a afirmação III está correta.
A afirmação II é um erro histórico. Urano foi descoberto em 13 de março de 1781 por William Herschel, um astrônomo amador, que o observou através de um telescópio. A descoberta foi acidental, não baseada em cálculos teóricos. O que a Relatividade Geral de Einstein (1915) explicou foi uma pequena anomalia na órbita de Mercúrio, o planeta mais próximo do Sol, cuja precessão do periélio não podia ser totalmente explicada pela mecânica newtoniana. A descoberta de Netuno, em 1846, sim, foi baseada em cálculos da mecânica clássica (Leis de Newton e da Gravitação Universal), feitos por Urbain Le Verrier e John Couch Adams, para explicar as perturbações na órbita de Urano. Portanto, a afirmação II está incorreta.
A afirmação IV é um erro de atribuição. O princípio da incerteza, que estabelece que não é possível conhecer simultaneamente e com precisão arbitrária a posição e o momento de uma partícula, foi formulado por Werner Heisenberg em 1927. O experimento mental do gato de Schrödinger, que ilustra a superposição quântica, foi proposto por Erwin Schrödinger em 1935. Einstein, embora tenha contribuído para a Mecânica Quântica com o efeito fotoelétrico, foi um crítico ferrenho da interpretação probabilística da teoria, famoso por sua frase "Deus não joga dados". Portanto, a afirmação IV está incorreta.
A pegadinha central desta questão é a atribuição incorreta de descobertas e princípios a Einstein. A banca mistura contribuições reais de Einstein (efeito fotoelétrico, relatividade) com contribuições de outros cientistas (princípio da incerteza de Heisenberg, gato de Schrödinger) e com fatos históricos que não se relacionam com a Relatividade Geral (descoberta de Urano). O candidato que não domina a história da Física moderna pode facilmente cair na armadilha de aceitar a afirmação II como correta, por associar a Relatividade Geral à astronomia, ou a afirmação IV, por associar Einstein à Física Quântica de forma genérica.
Contribuições de Einstein
1Relatividade Especial (1905)
GPS: correção relativística do tempo
Cinemática relativística em átomos pesados
2Relatividade Geral (1915)
Explica precessão de Mercúrio
Não descobriu Urano (Herschel, 1781)
3Mecânica Quântica
Efeito fotoelétrico (fótons)
Princípio da incerteza (Heisenberg)
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Item I — ✅ Correto
A afirmação descreve corretamente a aplicação da Relatividade de Einstein aos satélites de GPS. A dilatação do tempo prevista pela Relatividade Especial (devido à velocidade orbital) e o efeito da Relatividade Geral (devido à diferença de potencial gravitacional) fazem com que o tempo nos satélites passe de forma diferente do tempo na Terra. As correções relativísticas são essenciais para o funcionamento preciso do sistema de posicionamento global.
Item II — ❌ Incorreto
A descoberta de Urano foi feita por William Herschel em 1781, por observação telescópica, e não por cálculos da Relatividade Geral. A Relatividade Geral, publicada em 1915, foi usada para explicar a anomalia na órbita de Mercúrio, não para descobrir Urano. A descoberta de Netuno, em 1846, foi baseada em cálculos da mecânica newtoniana, não da relatividade.
Item III — ✅ Correto
A cinemática relativística é de fato incorporada à teoria quântica para descrever elétrons em átomos pesados. Em níveis eletrônicos profundos, os elétrons se movem a velocidades relativísticas, e efeitos como o aumento da massa relativística e a contração do comprimento de onda de de Broglie precisam ser considerados. A equação de Dirac, que combina mecânica quântica e relatividade especial, é a base dessa descrição.
Item IV — ❌ Incorreto
O princípio da incerteza foi formulado por Werner Heisenberg, não por Einstein. O experimento do gato de Schrödinger foi proposto por Erwin Schrödinger. Einstein foi um crítico da interpretação probabilística da Mecânica Quântica, não seu formulador. A afirmação atribui a Einstein contribuições que são de outros cientistas.
Conclusão: Corretos: I e III → portanto a alternativa é a letra B.