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Ano Mundial da Física: e daí?
Por José Carlos Antonio
Atualizado em 23/8/2005 15:37:34
Por todas essas publicações, e pelo impacto que causaram na ciência e nas idéias do século XX, o ano de 1905 ficou conhecido como o annus mirabilis (ano maravilhoso) da vida científica de Einstein e, claro, foi também um ano maravilhoso para a ciência.
O impacto dessas publicações sobre a ciência do século XX foi muito grande e, juntamente com os trabalhos posteriores sobre relatividade geral e o desenvolvimento da mecânica quântica, ocorrido mais ou menos na mesma época, na primeira metade do século XX, houve uma nova revolução científica de proporções colossais que, de certa forma, só se compara à Revolução Copernicana, iniciada por Nicolau Copérnico (1473-1543) com a publicação em 1543 de seu livro As Revoluções do Orbe Celeste, já no final de sua vida, e que culminou com os trabalhos de Isaac Newton (1643-1727), publicados em 1687, na sua obra Princípios Matemáticos da Filosofia Natural. É claro que para entendermos melhor a grandiosidade dessa revolução, iniciada no começo do século passado, é preciso entender também como o mundo da ciência e das idéias era antes disso, e como ele é hoje em dia, cem anos depois.
A fundação de uma “Física Moderna” no início do século passado não mudou apenas a ciência, mas também a própria visão de mundo do homem contemporâneo que já vinha sendo reformulada desde Copérnico e que teve saltos consideráveis com os trabalhos de Charles Darwin (1809 -1882) sobre Biologia (Teoria da evolução das espécies) publicados na segunda metade do século XIX, e de Sigmund Freud (1856 - 1939) sobre Psicanálise, publicados no final do século XIX e início do século XX. Graças a esses grandes homens tivemos que mudar nossa própria concepção de mundo, nossas idéias sobre o universo e sobre nosso papel nele. O mundo pré-relativístico e pré-quântico, ou seja, o mundo da Física Clássica, já não era mais um mundo povoado meramente por mitos religiosos, mas sim um mundo com forte viés humanista e tecnicista, onde o homem já se enxergava como senhor do seu destino e responsável por seus atos, pensamentos e desejos. Contrariamente ao mundo pré-copernicano, o mundo pré-moderno já dominava a linguagem da ciência.
Desde a fundação dos pilares da Mecânica Clássica, por Newton e seus contemporâneos, a ciência do mundo ocidental, e em especial a Física, passou por uma fase de três séculos gloriosos de descobertas e de transformações. A visão de mundo dos homens que viveram esses séculos acompanhou os desenvolvimentos científicos e abandonou aos poucos o panorama místico-religioso da Idade Média para se fundamentar em um novo panorama mecanicista e determinista, onde a ciência pareceu-se cada vez mais ser o supra-sumo do saber e o caminho mais viável para o desenvolvimento humano. Na esteira desse pensamento se desenvolveu o pensamento positivista dos séculos XIX e XX, que ainda influencia fortemente o desenvolvimento e o ensino das ciências. No final do século XIX pensava-se que havia muito pouco ainda para ser descoberto e que praticamente tudo que se referia à natureza física podia ser explicado com base na Física Clássica desenvolvida até então. Além dos desenvolvimentos prodigiosos da Mecânica Clássica, também a Termodinâmica, o Eletromagnetismo e a Óptica, encontravam-se suficientemente desenvolvidas para dar conta da explicação de quase todos os fenômenos conhecidos até então, e o “pouco” que não se sabia explicar acreditava-se que seria explicado em um futuro próximo com base nas mesmas idéias centrais desenvolvidas até então.
Do ponto de vista do desenvolvimento tecnológico a ciência pré-moderna havia literalmente criado um novo mundo. A Termodinâmica havia permitido o surgimento da revolução industrial com o desenvolvimento das máquinas a vapor e a compreensão das transformações da energia; o Eletromagnetismo permitiu o desenvolvimento tecnológico da eletricidade e das telecomunicações; a Óptica permitiu o desenvolvimento dos microscópios e uma revolução gigantesca na microbiologia e, do outro lado, permitiu o desenvolvimento dos telescópios e a exploração do universo.
Surgiram nos séculos XVIII e XIX os grandes navios, os automóveis, o telégrafo e o telefone, as grandes indústrias... Enfim, um novo mundo completamente diferente do mundo de economia feudal anterior. O homem dessa época já sonhava com robôs-escravos que trabalhariam para os humanos (embora nós humanos ainda escravizássemos nossos próprios semelhantes), sonhava com viagens à Lua e ao resto do universo, vislumbrava um mundo mais fraterno e pacífico e, acima de tudo, acreditava que o futuro lhe reservaria uma vida cômoda e despreocupada, que até então a humanidade nunca havia tido ou imaginado como possível. O mundo do final do século XIX era um mundo de certezas e esperanças. Um mundo “bem resolvido” e que tinha à sua frente apenas alguns pequenos ajustes a fazer, nada mais. Do ponto de vista da ciência também havia muito pouco a ser feito, segundo se pensava na época. Citando Lord Kelvin (1824-1907) o professor Roberto de Andrade Martins (veja na seção de links), diz “Lord Kelvin - um dos cientistas que havia ajudado a transformar essa área [Termodinâmica] - recomendou que os jovens não se dedicassem à Física, pois faltavam apenas alguns detalhes pouco interessantes a serem desenvolvidos, como o refinamento de medidas e a solução de problemas secundários”.
Para Kelvin havia apenas duas “pequenas nuvens” no horizonte que se dissipariam logo: o fracasso de um experimento que tentava provar a existência do éter (uma substância hipotética que deveria preencher todo o espaço) e a falta de uma explicação coerente com o que se sabia até então para a energia irradiada por um corpo aquecido (Esse problema famoso ficou conhecido na física como “catástrofe do ultravioleta” e não tinha nenhuma solução possível partindo-se da física clássica, embora esta já fosse bastante sofisticada). Como diz o professor Martins: “Foram essas duas ‘pequenas nuvens’, no entanto, que desencadearam o surgimento das duas teorias que revolucionaram a Física no século XX: a teoria da relatividade e a teoria quântica”. Na verdade havia muitas “nuvens” e uma infinidade de perguntas sem respostas, mas a confiança de que “tudo o que era importante” já estava descoberto criava um clima de otimismo e uma enorme presunção de que a ciência já estava “pronta”. Einstein deu contribuições significativas para “transformar em tempestades as pequenas nuvens do horizonte” e, além de ser considerado o “pai” da teoria da relatividade, também ajudou a firmar os pilares da mecânica quântica, embora viesse a “duvidar dela” durante o resto de sua vida. Einstein e a teoria da relatividadeA teoria da relatividade é certamente a ponta do iceberg mais visível dos trabalhos de Einstein. Quando ouvimos o nome “Einstein” lembramos logo de frases comuns e nem sempre verdadeiras como, “tudo é relativo” ou, “é possível voltar ao passado usando um buraco negro”, por exemplo. Mas afinal, que teoria é essa? Einstein sempre foi, na verdade, um grande sonhador dotado de uma imensa curiosidade e irreverência que o tornaram um cientista nada tradicional. Suas preocupações científicas parecem ter sido muito mais “estéticas e teóricas” do que “práticas”. Einstein gostava de coisas belas e para um físico com seu perfil nada é mais belo do que uma teoria simples e unificadora. Assim parece ter nascido a teoria da relatividade, da constatação de que a separação entre a mecânica e o eletromagnetismo era “feia” e que seria esteticamente muito melhor unificá-las a partir de alguns pressupostos novos, ainda que aparentemente estranhos.
Na virada do século XIX para o século XX a idéia corrente sobre a luz ainda era de que ela se propagava em um meio muito rarefeito e de difícil detecção chamado “éter”. Alguns experimentos já haviam mostrado que esse suposto meio era muito difícil de ser detectado e um desses famosos experimentos foi levado a cabo em 1887 por Albert Abraham Michelson (1852 -1931) e Edward Williams Morley (1838 - 1923), e hoje é mundialmente conhecido como “Experimento de Michelson-Morley”. A teoria eletromagnética de James Clerk Maxwell (1831 - 1879), que Einstein conhecia bem, já era uma bela teoria unificadora entre a óptica, a eletricidade e o magnetismo, mas não havia como encaixar o comportamento da luz na mecânica newtoniana porque a luz parecia não obedecer a um dos preceitos básicos dessa mecânica que era o preceito da “soma de velocidades”, também conhecido como relatividade galileana, em homenagem a Galileu Galilei (1564-1642), que o propôs, à época de Newton.
A relatividade galileana propõe que a velocidade de um objeto que se move em um dado meio, que por sua vez também se move em relação a um referencial inercial (*2), corresponde sempre à soma das velocidades em relação a esse referencial. Assim, por exemplo, se você estiver se movendo com uma velocidade de 1 m/s dentro de um trem que se move no mesmo sentido que você com velocidade de 2 m/s em relação ao chão, sua velocidade em relação ao chão será de 3 m/s. O experimento de Michelson-Morley parecia indicar claramente que isso não era verdade quando se tratava do movimento da luz. Para a luz, ao que tudo parecia indicar, a sua velocidade de propagação medida dentro ou fora desse trem teria sempre um mesmo valor.
O físico George Francis Fitzgerald (1851-1901) propôs em 1892 uma idéia que parecia absurda: a distância percorrida por um corpo se “contrairia” na direção do seu movimento e isso explicaria por que a luz tem sempre a mesma velocidade quando medida em qualquer referencial.
Em 1895 o físico Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) adotou a hipótese de Fitzgerald e propôs que não apenas as distâncias se contraiam, mas também o tempo se dilatava no referencial do corpo em movimento, e a própria massa dos corpos aumentaria com a velocidade. As novas regras de soma de velocidades, contração do espaço e dilatação do tempo, propostas por Lorentz, ficaram conhecidas como “Transformações de Lorentz”. E o leitor então perguntará impaciente: o que é que Einstein tem a ver com isso? Então não foi ele quem propôs isso? O que foi que Einstein fez afinal? Como dissemos acima, Einstein tinha idéias bem generalizantes sobre a Física e, ao que parece, pouca preocupação em se parecer “excêntrico”. Enquanto Fitzgerald e Lorentz tiveram uma grande preocupação de apresentarem seus resultados como “formas de contornar o problema” da propagação da luz, Einstein literalmente assumiu a necessidade de mudar alguns fundamentos básicos da Física e propôs que: 1 - Todas as leis da Física são válidas em todos os referenciais inerciais, isto é, devem ter a mesma “forma matemática”. 2 - A velocidade da luz no vácuo é uma constante universal, independente da freqüência e do movimento da fonte. Para satisfazer a esses dois postulados básicos da relatividade Einstein assumiu que as equações de Lorentz deveriam ser válidas para qualquer movimento (e não apenas o da luz) e que os resultados decorrentes delas (contração das distâncias e dilatação do tempo) eram “reais”. Logo, os conceitos de tempo e espaço absolutos, que tinham sido assumidos por Isaac Newton em sua mecânica clássica, perdiam sua validade dentro dessa nova mecânica.
Experimentos e descobertas feitas após a apresentação da teoria da relatividade já demonstraram de forma suficientemente inequívoca que o tempo realmente “passa mais lentamente” para objetos que se movem próximos da velocidade da luz. Determinadas partículas que chegam à Terra com velocidade da ordem de 99% da velocidade da luz, os raios cósmicos, dão origem a outras partículas, como os múons, e estas, movendo-se também com velocidades próximas à da velocidade da luz, parecem-nos ter um tempo de decaimento (tempo de vida antes de se transformarem em outras partículas) sete vezes maior do que o tempo de decaimento que elas têm em laboratório, quando “paradas”. Relógios levados ao espaço e movendo-se com altas velocidades também apresentaram “atrasos”. Enfim, a dilatação do tempo e a contração do espaço não são apenas hipóteses “para ajustar as contas”, mas sim fatos observáveis na natureza.
A relatividade restrita foi publicada em um artigo de Einstein de 1905 intitulado: “Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento”. No mesmo ano Einstein publicou outros três artigos, dois antes desse e um quarto artigo tratando da equivalência entre massa e energia. Nesse último artigo é que aparece a famosa “fórmula” que talvez seja a equação mais conhecida de toda a Física: E = m.c2.
Essa equação não contém apenas uma mera equivalência matemática entre a energia e a massa inercial de uma partícula, mas sim a possibilidade real de obter energia a partir da “desintegração da matéria” ou, equivalentemente, sintetizar matéria a partir da energia. Desenvolvimentos posteriores mostraram que as duas transformações são possíveis: matéria se converte em energia nos reatores das usinas nucleares, por exemplo, e energia se converte em matéria nos experimentos de colisão de partículas em grandes aceleradores, como o do CERN (European Organization for Nuclear Research). Pelo que sabemos, uma das grandes desilusões de Einstein foi ter que conviver com o fato de que suas pesquisas acabaram, de certa forma, contribuindo para o desenvolvimento de armas nucleares, onde a imensa energia gerada provém justamente da transformação de massa em energia. Por outro lado, a energia nuclear, se usada para o bem, poderá representar uma fonte inesgotável de energia para o futuro. Em anos posteriores Albert Einstein desenvolveu a Teoria Geral da Relatividade, na busca da unificação entre a gravitação e o eletromagnetismo. Essa teoria permitiu desenvolvimentos fantásticos em cosmologia, por exemplo, e é a partir dela que se imaginaram coisas tão estranhas como os “buracos negros”. Segundo essa teoria a gravidade “deforma” o espaço-tempo (*3) e faz com que até mesmo a luz seja desviada por ela. Einstein e a mecânica quântica
No mesmo ano de 1905, como dissemos anteriormente, Einstein publicou dois outros artigos que nada tinham a ver com a teoria da relatividade. Em um deles ele apresentava uma explicação para um fenômeno já descrito em 1828 pelo botânico Robert Brown (1773-1858) e que era conhecido como “movimento browniano”. Esse movimento foi observado por Brown em líquidos nos quais partículas muito pequenas em suspensão apresentavam movimentos aleatórios, mas até então não se tinha nenhuma explicação razoável para o fenômeno. Nesse artigo, intitulado “Sobre o movimento de pequenas partículas em suspensão dentro de líquidos em repouso, tal como exigido pela teoria cinético-molecular do calor”, Einstein partiu da hipótese, ainda não muito aceita na época, de um modelo atômico-molecular que atendesse à teoria cinética (que atribuía às moléculas movimentos vibratórios relacionados com sua temperatura) e explicou esse movimento pelos choques que a partícula em suspensão sofreria das moléculas do líquido.
Além disso, em seus cálculos, Einstein considerou efeitos como a viscosidade do líquido, o tamanho das moléculas, a temperatura do líquido e o número de Avogadro e, com isso, acabou ajudando a desenvolver a mecânica estatística e os processos estocásticos (*4) que permitiram um grande salto matemático em desenvolvimentos posteriores. Mais tarde, usando as equações de Einstein, o físico e químico Jean Baptiste Perrin (1870 - 1942) pode determinar o valor do número de Avogadro e consolidar de vez a idéia de que os líquidos não eram meios contínuos, mas sim sistemas compostos de muitas entidades, as moléculas, como admitiu Einstein em seu artigo. Por fim, o segundo artigo de Einstein em 1905, “Sobre um ponto de vista heurístico concernente à geração e transformação da luz”, foi o que lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física e, na própria opinião de Einstein, foi seu artigo mais revolucionário (muito mais do que a Teoria da Relatividade, embora essa tenha ficado mais famosa). Nesse artigo Einstein propõe uma explicação para o chamado “efeito fotoelétrico”. O efeito fotoelétrico foi descoberto por Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), em 1887, quando este pesquisava a natureza da luz e, basicamente, consiste no fenômeno em que a luz incidente sobre um determinado material acaba “arrancando” elétrons desse material. Até a época de Einstein o fenômeno parecia paradoxal, pois as teorias mecânica e eletromagnética não tinham como explicar porque que apenas determinadas freqüências de luz podiam arrancar os elétrons e, principalmente, porque que isso não dependia da intensidade da luz, pois já se sabia então que quanto maior a intensidade do feixe luminoso, maior é a energia transportada por ele.
No ano de 1900, Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 - 1947), estudando a radiação emitida por um corpo aquecido (radiação do corpo negro) havia proposto um novo postulado científico para explicar por que nem todas as freqüências possíveis de radiação eram emitidas pelo corpo. O postulado de Planck afirmava que a energia emitida na forma de radiação só poderia existir em pequenos “pacotes”, ou “quantum” de energia, pequenas quantidades que dependeriam da freqüência da radiação emitida. Nascia assim o pilar básico da Mecânica Quântica. Einstein aplicou o postulado de Planck à luz e propôs que ela se comportaria como pequenos pacotes de energia movendo-se pelo espaço, ou seja, ao invés da luz se comportar como uma onda eletromagnética cuja energia se espalha pelo espaço à medida que a onda se afasta da fonte emissora, na visão de Einstein a luz se comportaria como pequenas partículas, os fótons, como chamamos hoje em dia, que transportam essa energia obedecendo ao postulado de Planck. Era uma explicação simples e elegante e traduzida matematicamente por uma equação também simples e elegante, bem ao gosto de Einstein, mas do ponto de vista da mecânica clássica e do eletromagnetismo essa era uma explicação que não tinha como se encaixar nas teorias de então. E não tinha mesmo, pois essa já era uma explicação “quântica” do comportamento da matéria e, antecipando um pouco o postulado sobre o comportamento dual da matéria, propunha que a luz, que era entendida até então apenas como uma onda eletromagnética, tinha também um comportamento corpuscular, atuando como se fosse uma partícula ao interagir com os elétrons que arrancava do material.
Em 1924, Louis Victor Pierre Raymond de Broglie (1892 - 1987), baseando-se na mesma idéia de Einstein, mostrou que os elétrons, até então tidos como “partículas”, tinham também um comportamento ondulatório, isto é, por vezes se comportavam como se fossem “ondas de matéria”. Einstein terminou sua vida em busca de uma teoria única que explicasse todos os fenômenos físicos: a Teoria do Campo Unificado. Nunca aceitou plenamente a mecânica quântica que ele mesmo ajudou a desenvolver. Após sucessivos fracassos nessa busca, e já à beira de sua morte, escreveu: “a aspiração à verdade é mais preciosa do que sua posse garantida”. A famosa frase de Einstein, “Deus não joga dados”, refere-se a um dos descontentamentos de Einstein com relação à Mecânica Quântica, e esse descontentamento tem relação com a mudança de paradigmas que a Mecânica Quântica trouxe para a ciência. Enquanto a Mecânica Clássica do final do século XIX traçava um panorama determinista, onde se poderia conhecer “exatamente” o comportamento da natureza, e Einstein gostava muito dessa idéia, a Mecânica Quântica surgiu com idéias novas e muito “estranhas”:
Essa nova visão de mundo representa um quadro bem distinto daquele que muitos cientistas imaginavam no final século XIX e, embora tudo isso possa nos parecer realmente muito estranho, também tem se mostrado “verdadeiro”, tão verdadeiro quanto a Teoria da Relatividade de Einstein que, diga-se de passagem, também nos pareceu muito esquisita por um longo tempo. A Teoria do Campo Unificado que Einstein perseguiu pelo resto de sua vida ainda não existe e talvez nunca venha a existir. Por outro lado, assim como Kelvin estava errado ao prever o “fim da Física” no final do século XIX, apesar de todo o desenvolvimento científico do século XX talvez tenhamos dado apenas alguns passos rumo ao desenvolvimento de uma ciência capaz de explicar de uma forma simples e bela toda a complexidade do nosso mundo. Os próximos passos aguardam novas mentes com novas idéias... Que tal lhe parece o desafio? Glossário(*1) fóton: Partícula elementar associada ao campo eletromagnético, com massa nula, spin 1, carga elétrica nula, estável, e cuja energia é igual ao produto da constante de Planck pela freqüência do campo; quantum de luz. A idéia de que a luz seja constituída por partículas vem desde Newton, mas foi Einstein quem a “ressuscitou” com seu trabalho sobre o “efeito fotoelétrico”. (*2) referencial inercial: Um referencial é um “local de referência” de onde observamos e descrevemos os fenômenos observados; esse referencial é dito inercial se ele não estiver acelerado. (*3) espaço-tempo: nome dado a um espaço matemático quadrimensional (de quatro dimensões) que inclui as três dimensões do espaço euclidiano comum (altura, largura e profundidade) e mais uma dimensão representando o tempo. (*4) processos estocásticos: são processos que só podem ser analisados de uma forma estatística, isto é, envolvem muitas partículas. Para consultar na InternetPágina oficial da Sociedade Brasileira de Física em comemoração ao Ano Mundial da Física - Vários textos disponíveis - http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/amf/ “Da Terra à Lua”, Livro de Júlio Verne publicado em 1865 e disponibilizado para download pela Virtual Books - http://virtualbooks.terra.com.br/freebook/traduzidos/da_terra%20a_lua.htm Um pouco sobre os trabalhos de Einstein - http://www.if.ufrgs.br/einstein/genio.html O Nobel de Física de Einstein e o Efeito Fotoelétrico - http://www.if.ufrgs.br/einstein/efeitofotoeletricopremionobel.html “Como Criei a Teoria da Relatividade”, Palestra dada por Einstein em 1922, pouco antes de receber o Prêmio Nobel - http://www.geocities.com/CollegePark/Bookstore/2334/bigcientistas/relatividade.html Curso sobre as duas grandes revoluções científicas do último milênio, “GALILEO AND EINSTEIN” (Em inglês) - http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/home.html Reportagem da Revista ComCiência, “Física Moderna - Mito e Ciência” - http://www.comciencia.br/reportagens/fisica/fisica01.htm Reportagem da Revista ComCiência, “Einstein” - http://www.comciencia.br/reportagens/2005/03/01.shtml Entrevista com o Prof. Dulcídio, autor do livro “Física Moderna - Tópicos para o Ensino Médio”, da Cia da Escola - http://www.ciadaescola.com.br/zoom/materia.asp?materia=95 Saiba mais sobre as partículas fundamentais da matéria em: http://www.ucs.br/ccet/defq/naeq/material_didatico/textos_interativos_24.htm Como aplicar esta matéria em sala de aulaO ano de 2005 foi escolhido pelas sociedades de Física do mundo todo como o “Ano Mundial da Física” devido à grande revolução da Física Moderna iniciada no começo do século XX e que contou com substancial contribuição de Albert Einstein, cujos principais trabalhos foram publicados há exatos 100 anos, em 1905, o annus mirabilis. Este artigo da seção Erro-padrão oferece uma panorâmica histórica da Física antes e depois de 1905, com ênfase na importância dos trabalhos de Einstein e seu impacto no desenvolvimento da Física Moderna. É claro que o artigo não aborda em profundidade a Física Moderna nem mesmo a história da evolução dos conceitos da Física no século XX, mas creio que trace uma boa panorâmica dessa evolução que pode servir de “estímulo” para o aluno do Ensino Médio que tenha interesse por ciência e, em especial, pela Física. A partir desse artigo o professor de Física pode selecionar alguns assuntos e propor pesquisas aos seus alunos. Aliás, essa é uma boa idéia para se introduzir alguns conceitos básicos da Física Moderna. Paralelamente, muitos assuntos podem ser abordados a partir do livro “Física Moderna - Tópicos para o Ensino Médio”, do Prof. Dulcídio, disponível na seção “Loja” do site da Companhia da Escola. Abraços, Prof. José Carlos Antonio |
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Este ano de 2005 foi escolhido pelas sociedades de Física de todo o mundo como o “Ano Mundial da Física”. Um leitor que não goste muito da disciplina “Física” poderá dizer “Grande coisa!”, mas de fato essa escolha se deu justamente pela “grandiosidade da coisa” ocorrida há exatos 100 anos, em 1905, com as publicações de Albert Einstein (1879-1955) sobre o fóton (*1), a Relatividade Especial, a relação massa-energia e o movimento molecular, além de sua tese de doutoramento sobre a determinação do tamanho das moléculas.
