A Revolução Quântica - Parte III

Nota introdutória:

Quando estava a preparar este novo post pensei: Como poderia avançar na Física do século XX sem dedicar um post ao annus mirabilis e a algumas contribuições científicas de Albert Einstein? Devido a esse facto, dedicarei este post a essa mente brilhante da Física do século XX: Albert Einstein.

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Os primeiros e difíceis anos

Passados actualmente 56 anos sobre o seu falecimento e 106 anos sobre a extraordinária época, de apenas alguns meses, ao longo dos quais divulgou 5 investigações científicas que agitaram irremediavelmente a Física até então conhecida. Einstein foi um homem único que forneceu tributos revolucionários ao progresso da Ciência, foi um cidadão com um empenhamento cívico digno de nota e, pelo seu carácter, converteu-se num ícone popular. A sua vida, o seu universo e a sua obra devem ser reconhecidos e lembrados.

Nasceu numa sexta-feira, às 11:30 do dia 14 de Março de 1879 na cidade alemã de Ulm. Inicialmente, Pauline e Hermann – os seus pais – decidiram chamá-lo de Abraham – o nome do seu avô paterno. Porém, acharam esse nome demasiado judeu e, por isso, decidiram manter a inicial “A” e passaram a baptizá-lo como Albert Einstein. A sua origem, tanto paterna, como materna era judia e os seus pais pertenciam à classe comerciante alemã.

Com apenas 1 ano de idade, ele e a sua família mudam-se para Munique onde Albert passaria a sua infância até aos seus 16 anos de idade. Depois de completar 16 anos, por vontade própria, deixou Munique e mudou-se sozinho para a Suíça, para poder estudar no Instituto Politécnico de Zurique, no qual se formou em 1900 com grau de licenciado. Em 1901, renegou à cidadania alemã, para assim esquivar-se do serviço militar obrigatório, e obteve a nacionalidade suíça. Foi igualmente neste país que A. Einstein concluiu o seu doutoramento, em 1905.

Como não conseguiu vaga académica para continuar as suas funções, teve que partir para o mercado de trabalho, tendo sido admitido no ano de 1902 no Serviço de Patentes Suíço – em Berna – como terceiro oficial. Foi sempre um trabalhador capaz e desempenhava as suas funções com competência. Mas, acima de tudo, este período serviu para que Einstein pudesse preparar, amadurecer e escrever os artigos que publicou em 1905 – annus mirabilis – e que lhe renderam o reconhecimento e louvor científico mundial.

Annus mirabilis

Einstein era um homem ciente da importância do mundo como espaço para o desenvolvimento do conhecimento empírico. Foi um reconhecido perito de patentes e analista, foi também inventor e co-autor de pesquisas de natureza experimental. Apesar de ser conhecido pelas suas experiências conceptuais como forma de apresentar o seu processo de exposição e descoberta, todo o seu trabalho revela uma capacidade teórica muito fundeada na observação empírica.

Por muito que na actualidade pareça evidente, a realidade é que no começo do século XX ainda era muito discutida a descontinuidade da Natureza, e essas discussões advinham desde a existência por si só dos átomos, até ao mais polémico assunto dos corpúsculos de radiação. Esses assuntos não eram aceites pela maioria da comunidade científica. E, de certa forma, essa atitude é justificável visto que o avanço científico do século XIX nas disciplinas de Óptica, Termodinâmica e Electromagnetismo se deveu invariavelmente ao facto de se considerar a matéria e a energia como entidade contínuas. Muitos dos fenómenos que hoje conhecemos e muita da tecnologia que hoje utilizamos nasceu a partir desse paradigma. Está claro que sempre existiram algumas dúvidas mas nunca a ponto de questionar o mais básico dos pressupostos: a (des)continuidade da matéria e da energia.

Apesar de pessoas mais desatentas atribuírem a Einstein a descoberta do efeito fotoeléctrico, não foi isso que aconteceu. O efeito fotoeléctrico foi pela primeira vez observado em 1839 por Alexandre Becquerel mas essa descoberta não foi alvo de grande interesse ou divulgação pois para os cientistas da época não oferecia qualquer tido de utilidade. Einstein ao interpretá-lo e descrevê-lo pelas suas leis (que posteriormente viriam a ser verificadas) revolucionou por completo a ciência, visto que forneceu sustentação científica à hipótese originalmente formulada por Planck (em 1900) de descrever o espectro de emissão de luz por corpos incandescentes dividindo a energia em partições definidas.

Em 1905 Einstein concebe assim a Natureza como sendo constituída por corpúsculos. Mas ele não restringe esta concepção apenas à matéria visto que ele concebe a natureza corpuscular da absorção, emissão e propagação da luz em partículas que conteriam uma quantidade energética elementar relacionada com a cor da respectiva radiação.

O atrito que esta nova ideia provocou entre a comunidade científica devia-se ao facto de que esta teoria contrariava aparentemente a teoria ondulatória da luz que, ao longo do século XIX, obteve o seu expoente máximo de sucesso na interpretação quer qualitativa, quer quantitativa dos fenómenos luminosos. Só mais tarde é que estes “pedaços” de energia foram denominados de fotões e a sua existência tornou-se inquestionável nomeadamente depois do estudo de fenómenos conhecidos tais como o efeito Compton que apenas era explicado com a teoria corpuscular da radiação.

A relatividade especial

O ano de 1905 foi realmente muito produtivo para Einstein. Logo após se debater com as questões relacionadas com a luz e a sua natureza, Einstein inicia nesse mesmo ano aquela que viria a ser a maior revolução no pensamento científico do mundo. Ainda em 1905 ele idealiza uma experiência mental muito simples com comboios em movimento para explicar aquela que viria a ser chamada de Teoria da Relatividade Especial. Basicamente essa experiência mental pode ser resumida do seguinte modo: suponhamos que a berma da via-férrea é atingida por raios de dois pontos distantes, A e B. Se afirmarmos que ocorreram simultaneamente, o que significa isso?

Einstein percebeu que precisamos de uma definição operacional, uma definição que se possa efectivamente aplicar, e que tal exigiria ter em conta a velocidade da luz. A sua resposta foi que definiríamos os dois raios como simultâneos de estivéssemos parados exactamente a meio caminho entre eles e se a luz de cada um chegasse até nós no mesmíssimo momento.

Mas agora imagine-se que o evento seria visto por um passageiro de um comboio que se move rapidamente pela linha férrea do ponto A para o ponto B. Suponhamos que, no preciso instante em que o raio atingiu os pontos A e B, havia um passageiro no meio do comboio que tinha acabado se passar pelo observador que estava a meio caminho na berma da via-férrea. Se o comboio estivesse em repouso em relação à berma da via-férrea, o passageiro que se encontrava no interior veria os relâmpagos em simultâneo, à semelhança do que sucederia com o observador na berma da via.

Mas, se o comboio estivesse em movimento para o ponto B, o observador no interior estaria a dirigir-se para o ponto B enquanto os sinais luminosos viajavam. Portanto estaria posicionado ligeiramente mais próximo do ponto B no instante em que a luz chegasse e, por conseguinte, veria a luz do raio no ponto B antes de ver a luz do raio do ponto A. Como tal, afirmaria que os raios não tinham sido simultâneos.

Esta ideia simples, mas radical, significa que não há tempo absoluto e que a questão da simultaneidade só é verdade para o referencial em estudo. A partir deste ponto, Einstein estava pronto para escrever um dos seus artigos mais famosos: “Sobre a Electrodinâmica dos Corpos em Movimento”. Neste artigo ele mostra que, no fenómeno de indução electromagnética, um magneto e uma bobina induzem uma corrente eléctrica apenas baseada no seu movimento relativamente um ao outro. É importante anotar aqui que desde os tempos de Faraday que haviam duas explicações teóricas diferentes para a corrente produzida, dependendo de o magneto ou a bobina estarem em movimento.

E = mc²

Poderíamos pensar que o trabalho “Sobre a Electrodinâmica dos Corpos em Movimento” estava concluído com esta nova abordagem relativista. Porém, Einstein não se deixou ficar. Em Setembro de 1905 publicou aquela que viria a ser a equação mais famosa de toda a ciência. Einstein desenvolveu a ideia com uma gigantesca simplicidade. Em apenas três páginas, remete-se ao seu artigo sobre a relatividade especial e declara: “Os resultados de uma investigação electrodinâmica recentemente publicada por mim nesta revista levaram-se a uma conclusão interessante, a qual será aqui abordada.”

O resultado foi uma conclusão elegante: a massa e a energia são diferentes manifestações da mesma coisa. Há um intercâmbio fundamental entre elas. Como Einstein disse no artigo, “a massa de um corpo é a medida do seu conteúdo de energia”. Utilizou, ao contrário do que muitos pensam, a equação L=mV². Até 1912 Einstein utilizou a letra L para representar a energia e o V para representar a velocidade da luz.

O passo até à relatividade geral

Não bastou para Einstein este gigantesco passo. Isto porque, na realidade, a sua teoria apenas era válida para referenciais a velocidades constantes. Não fazia parte da maneira de ser de Einstein deixar trabalhos científicos a meio. E, por isso, iniciou logo depois a sua busca por algo muito maior: a generalização da sua teoria da relatividade especial. Em 1907 ele faz a primeira aproximação à teoria da relatividade geral. Ele equiparou a movimento inercial o movimento de queda livre, alegando que as leis da relatividade especial deviam, pelo princípio da equivalência, ser as mesmas. Assim ele previu o fenómeno da dilatação gravítica do tempo e em 1916 enunciou de forma sistemática a teoria da relatividade geral, segundo a qual uma massa distorce o tecido espaço-tempo, ditando assim as leis do movimento relativo.

Essa teoria provou posteriormente ser a solução de imensos problemas na cosmologia. Por exemplo, resolvendo as equações da teoria da relatividade geral para o interior de uma estrela verificou-se que se a massa da estrela fosse comprimida num espaço suficientemente pequeno os cálculos pareciam entrar em colapso; e calculando para o centro da estrela, o espaço-tempo iria curvar-se indefinidamente sobre si mesmo. Para o nosso Sol, isso aconteceria se toda a sua massa fosse comprimida num raio inferior a três quilómetros. Numa situação dessas, nada que estivesse dentro desse raio conseguiria escapar à força gravítica, nem sequer a própria luz ou outra forma de radiação. Estes cálculos foram os precursores da descoberta de buracos negros. Porém, é digno de nota que Einstein não acreditou, nem na altura nem depois, que os resultados correspondessem efectivamente à realidade.

Mas como provar a teoria da relatividade geral? A teoria era muito abstracta e carecia, está claro, de verificação empírica, o que era muito difícil porque os efeitos que ela produzia eram extremamente pequenos quando comparados com a capacidade de observação naquela época. A precessão do periélio de Mercúrio foi o seu primeiro e imediato teste. O segundo foi o desvio de um feixe de luz na vizinhança e sob a influência de um corpo maciço; este teste foi feito sobre a observação do movimento de estrelas na vizinhança aparente do Sol, por ocasião do eclipse solar total de 1919. Arthur Eddington foi o grande promotor das expedições para o efeito realizadas pela Royal Astronomical Society de Londres, na Ilha do Príncipe e em Sobral no Brasil, cujos resultados suportaram as previsões da teoria e contribuíram para a sua aceitação internacional. A teoria da relatividade geral ganhou rapidamente grande alcance científico e filosófico, dado que ela é o suporte em que se formulam os modelos cosmológicos, e por consequência, se firmam os avanços da Cosmologia.

Outros feitos

Pouco mais tarde (1917), estudando a interacção da luz com a matéria, Einstein previu o fenómeno da emissão estimulada de radiação, um fenómeno discreto que passou relativamente desapercebido, até que foi pela primeira vez utilizado para amplificar a intensidade de um feixe de micro-ondas mediante uma cavidade reflectora em ressonância — “maser” (inventado por Charles Townes em 1954). Após o que, físicos e engenheiros, inventaram diversos dispositivos capazes de emitir intenso feixes paralelos de luz coerente – os “laser”, que são poderosos instrumentos de investigação e encontraram múltiplos domínios de aplicação.

Em 1924, em correspondência mantida com Satyendra Bose, Einstein concebeu um novo estado da matéria, constituído por um “condensado” de átomos a temperatura extremamente baixa, que exibiria superfluidez e coerência de movimento (análoga à coerência da luz laser). Este estado só viria a ser realizado em laboratório pela primeira vez em 1995, em Boulder na Universidade do Colorado, com o auxílio de campos magnéticos e lasers utilizados na contenção e arrefecimento de um vapor metálico, quase imobilizando os átomos que ficam constrangidos a movimento sincronizado, atingindo então o estado denominado “condensado” de Bose-Einstein.

Baseado no livro:
ISAACSON, Walter (2008). Einstein – A Sua Vida e Universo. Alfragide: Casa das Letras, Edição 10 07 0077.