Os 100 anos que abalaram o mundo

Toda teoria tem limite

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O que os experimentos mostraram claramente é que as grandes teorias da física clássica – a física de Newton, Faraday e Maxwell dentre muitos outros – tinham limites. Isso não era, ou não deveria ter sido, uma grande surpresa. Toda teoria tem um limite de validade; ela funciona dentro de determinados parâmetros. Do mesmo modo que você não deve tentar ir caminhando do Brasil até a Europa, as teorias do passado não podiam ser aplicadas em situações fora de seu alcance. O que os físicos não sabiam era onde elas quebravam, algo que descobriram, dolorosamente, por meio dos vários experimentos.



Dois conceitos fundamentais para a física clássica têm de ser abandonados na nova física. Primeiro, o conceito newtoniano de espaço e tempo absolutos. Para Newton, o espaço era a arena onde os fenômenos naturais ocorriam, sempre a mesma, independentemente do observador. Medidas de distâncias eram absolutas, um centímetro era um centímetro para todo mundo, mesmo que eu estivesse me movendo em relação a você. O mesmo acontece com o tempo, visualizado como um rio seguindo sempre em frente no mesmo ritmo. Segundo, todos os processo ocorrem continuamente. Por exemplo, uma pedra cai continuamente no chão, sem saltos ou interrupções. O que as teorias da relatividade mostraram é que o espaço e o tempo não são absolutos, mas dependem do movimento relativo entre observadores e da concentração de matéria no espaço. Já a mecânica quântica mostrou que, no mundo do muito pequeno – o mundo das moléculas, átomos e partículas subatômicas -, os processos não são jamais contínuos: elétrons “pulam” de um ponto a outro no espaço como nós subimos uma escada, pisando nos degraus, mas nunca no espaço entre eles.








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 Para Newton (em ilustração de William Blake), tempo e espaço eram absolutos:

conceitos fundamentais da física clássica cairam com as descobertas de Einstein




Os limites de validade das teorias clássicas foram sendo revelados aos poucos. A mecânica de Newton não podia ser aplicada a movimentos com velocidades muito rápidas, comparáveis à velocidade da luz, de 300 mil km/s. Quão rápido é isso? Você pisca os olhos, a luz dá sete voltas e meia em torno da Terra. Ela não podia também ser aplicada a processos ocorrendo a distâncias muito pequenas, atômicas. E, finalmente, a teoria da gravitação de Newton não funcionava na vizinhança de corpos muito maciços, como o Sol. Por isso que Mercúrio, sendo o planeta mais próximo ao Sol, tinha anomalias em sua órbita inexplicáveis pela teoria de Newton. Vamos então por partes, falando de cada uma das três grandes teorias que revolucionaram nossa compreensão do Universo, desde o muito pequeno ao muito grande.





A velocidade da luz e a relatividade especial




Mil novecentos e cinco é considerado o ano miraculoso de Einstein. Sozinho, ele concebeu teorias que redefiniriam nossa compreensão da estrutura do espaço, do tempo e do mundo atômico. Não é à toa que a revista americana
Time

considerou-o o Homem do Século. Einstein partiu do pressuposto de que a velocidade da luz é a maior velocidade que existe na natureza. Nada pode viajar mais rápido. Mais ainda, a luz tem sempre a mesma velocidade, mesmo se ela sair de algo em movimento, como um farol de carro. Com isso, ele mostrou que certas coisas que a gente toma como óbvias estão, na verdade, erradas. O óbvio é apenas conseqüência de nossa visão míope da realidade, fadados que somos a nos movimentar lentamente – ao menos em comparação com a luz.



Um exemplo famoso é o conceito de simultaneidade, que é fácil de entender. Dois eventos são simultâneos quando ocorrem ao mesmo tempo. Einstein mostrou que simultaneidade depende do ponto de vista do observador: dois eventos simultâneos para um podem não ser simultâneos para outro. Imagine um trem passando por uma estação a uma velocidade constante. Uma pessoa está de pé no meio da estação e outra no meio do trem. De repente, dois raios caem sobre o trem. A pessoa na estação vê-los cair simultaneamente, pois mede sua luz chegando até ela exatamente ao mesmo tempo. Mas a pessoa no trem vê o raio que cai na sua frente chegar antes. Isso porque a luz proveniente do raio viaja uma distância menor já que o trem está indo em sua direção. Ou seja, os dois observadores não vêem os dois eventos simultaneamente.



Einstein concluiu que simultaneidade, ou melhor, a medida da passagem do tempo, depende do movimento relativo entre observadores. Não vemos isso na nossa vida diária porque o efeito só se torna relevante quando os movimentos ocorrem a velocidades próximas da luz. Mas em experimentos envolvendo átomos e partículas subatômicas, que viajam muito rápido, os efeitos da relatividade especial de Einstein são medidos todos os dias.



A teoria tem outras conseqüências: ela diz que um objeto em movimento tem um comprimento menor do que quando em repouso. Portanto, se a pessoa na estação mede uma régua como tendo um metro, se esta régua passa na sua frente a alta velocidade, ela lhe parecerá menor: o espaço encolhe com o movimento. E o tempo dilata: um relógio em movimento bate mais devagar do que um em repouso. Ou seja, tempo e espaço não são absolutos como pensava Newton, mas dependem do movimento relativo entre observador e observado.



Einstein mostrou que uma das conseqüências de sua nova teoria é que a luz não precisa de meio material para se propagar – ela é mesmo peculiar, diferente de todas as outras ondas. Ele não saberia explicar por que a luz é assim. Mas saberia que a sua teoria, supondo esse comportamento meio bizarro da luz, resolvia vários enigmas do passado. Assim caminha a ciência, construindo teorias baseadas em suposições. Seu valor é medido por meio da sua capacidade de explicação. Quanto melhor uma teoria, mais ela pode explicar.





Os espaços curvos e a órbita de mercúrio




Em 1916, após anos de muito trabalho, Einstein concluiu a generalização de sua teoria da relatividade que, merecidamente, foi chamada de teoria da relatividade geral. Sua teoria de 1905, revolucionária como era, tratava apenas de movimentos com velocidades constantes. E ele sabia, como sabemos todos, que a maioria dos movimentos não tem velocidade constante, mas são acelerados. Como então incluir isso na teoria da relatividade?



Um dia, conta Einstein, ele teve uma visão. Imaginou o que ocorreria com uma pessoa caindo do alto de uma casa. “Ela não sentiria seu próprio peso”, pensou, “a gravidade não existiria para ela”. Passando da queda livre a um elevador, Einstein concluiu que existia uma relação íntima entre gravidade e aceleração. Quando um elevador sobe rapidamente, nos sentimos mais pesados, como se a sua aceleração aumentasse a força da gravidade. Pois bem, a verdade é que, se um dia acordássemos em uma cápsula rebocada por um foguete e se este foguete estivesse em movimento com a mesma aceleração causada pela gravidade da Terra, estaríamos certos de estarmos na Terra. Conclusão: acelerações podem imitar a força da gravidade. E, se isso for verdade, uma teoria da relatividade envolvendo acelerações é, também, uma teoria da gravidade. Einstein então mostrou que, de fato, sua teoria da relatividade geral era uma nova teoria da gravidade, mais poderosa do que a de Newton, proposta em 1687.



Sua teoria tinha uma conseqüência impressionante: a matéria pode encurvar a geometria do espaço à sua volta e influenciar a passagem do tempo. Imagine uma bola de boliche sobre um colchão. Em torno da bola, a superfície do colchão estará deformada; uma bolinha de gude lançada em sua vizinhança descreverá um arco. Já uma bola de gude lançada bem longe da bola de boliche descreverá uma linha reta. Portanto, os movimentos acelerados que atribuímos à gravidade são, na verdade, conseqüência da distorção do espaço em torno de corpos maciços. Einstein aplicou sua teoria ao movimento de Mercúrio, mostrando que, de fato, a anomalia era devida à curvatura do espaço em torno do Sol. A teoria da relatividade geral transformou nossa visão do cosmo. A expansão do Universo, a existência de buracos negros, até mesmo a discussão sobre máquinas do tempo, se tornaram parte da ciência e não da ficção científica. A realidade é mais estranha do que qualquer ficção. Por falar em realidade estranha, temos de visitar a terceira grande revolução da ciência do século XX, a mecânica quântica.





O mundo quântico




No fim do século XIX, estava cada vez mais claro que átomos não eram abstrações. Em 1897, o inglês Joseph Thomson (1856-1940) descobriu o elétron, a primeira partícula subatômica. Em 1911, o neozelandês ErnestRutherford (1871-1937)propôs que átomos tinham um núcleo muito denso e de carga positiva.



Em 1913, o dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) veio com uma idéia revolucionária. Se a física clássica fosse aplicada ao átomo, o resultado seria desastroso: o elétron, negativamente carregado, atraído pela carga positiva do núcleo acabaria por cair sobre ele. Ou seja, segundo a física clássica, átomos eram instáveis e a matéria não existiria. Bohr usou duas idéias revolucionárias para propor uma nova física do átomo. Em 1900, o alemão Max Planck (1858-1947) havia proposto que átomos não recebem e emitem energia continuamente, mas em pequenos pacotes. Feito as nossas transações com dinheiro, que sempre ocorrem em múltiplos de um centavo. Por outro lado, Einstein, em seu ano miraculoso, propôs que a luz não precisa necessariamente ser vista como uma onda; ela pode também ser vista como uma partícula, mais tarde chamada de fóton. Aliás, foi por essa idéia, e não pela relatividade, que Einstein ganhou o Prêmio Nobel em 1921.



Bohr juntou tudo isso e propôs um átomo onde o elétron girava em torno do núcleo em órbitas circulares. Mas com uma diferença; os elétrons não podiam estar em qualquer órbita, apenas em algumas, separadas no espaço como degraus de uma escada. Para o elétron pular de uma órbita inferior para uma superior (subir a escada), ele precisava de energia. Essa energia era fornecida por um fóton quando luz passava pelo átomo, feito uma barra de chocolate fornecendo energia para subirmos uma escada. Quando o elétron descia de órbita, ele emitia um fóton com energia igual à diferença de energia entre as duas órbitas. Com isso, Bohr explicou por que átomos emitem luz em apenas determinadas freqüências, ou tons; tudo depende de como as órbitas dos átomos variam. Como cada átomo tem um número diferente de prótons e elétrons, suas órbitas são diferentes.



O espectro de emissão do átomo é sua impressão digital. Átomos emitem e absorvem apenas alguns tipos de radiação. Voltando ao espectro do Sol, fica claro por que existem linhas escuras: átomos de elementos presentes na atmosfera solar absorvem a luz que vem de sua superfície e esses tons ficam então “faltando”. Portanto, ao analisarmos que linhas faltam no espectro solar, podemos também descrever a sua composição química. E o que se descobriu é que o Sol e as estrelas são feitos dos mesmos elementos químicos que vemos aqui na Terra, embora em proporções diferentes: lá, hidrogênio e hélio são muito mais abundantes do que aqui. Mas a química cósmica é uma só.





De lá para cá






A revolução quântica teve um impacto profundo em nossas vidas. Toda a tecnologia digital que define a sociedade moderna, CDs, DVDs, câmeras digitais, GPS, TVs de alta definição, aplicações na medicina, na energia nuclear, nos carros, nos
lasers

e computadores, toda essa tecnologia é derivada, de uma forma ou outra, de aplicações da mecânica quântica (e, no caso do GPS, da relatividade). Já a nossa compreensão do cosmo, de sua estrutura, de como estrelas brilham, de como se formaram as galáxias, inclusive a nossa Via Láctea, de como o próprio Universo se formou e qual será o seu destino, depende tanto da mecânica quântica quanto das duas teorias da relatividade.




Embora muitos nomes, milhares deles, tenham contribuído para essa grande revolução científica e seu impacto social, nenhum brilha tanto quanto o de Albert Einstein. Em 2005, celebramos o centésimo aniversário de seu ano miraculoso. E de nossa entrada em um Universo mais maravilhoso e mágico que jamais podíamos imaginar ser possível.





* Marcelo Gleiser é professor titular de física e astronomia no Dartmouth College, nos EUA. No Brasil, publicou quatro livros, todos pela Companhia das Letras:
A Dança do Universo

(440 págs., R$ 45), que ele recomenda para leitores deste artigo como auxílio pedagógico,
O Fim da Terra e do Céu

(368 págs., R$ 45) e Retalhos Cósmicos (200 págs., R$ 33,50). Para crianças, escreveu
O Livro do Cientista

(96 págs., R$ 28).





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