A CIÊNCIA E OS AVANÇOS NO CONHECIMENTO DA FÍSICA CLÁSSICA À FÍSICA QUÂNTICA Fernando Alcoforado* Grandes avanços do conhecimento científico foram realizados por Isaac Newton de 1671 a 1728 com o desenvolvimento da Mecânica Clássica com a introdução de conceitos como o da inércia (1ª Lei de Newton), da resultante de forças que agem sobre uma massa causando uma aceleração (2ª Lei de Newton), da ação e reação (3ª Lei de Newton), da Gravitação Universal e do Cálculo como uma ferramenta matemática. A Mecânica Clássica se refere às três principais formulações da mecânica prérelativística: a mecânica newtoniana, a mecânica lagrangeana (elaborada por JosephLouis de Lagrange relaciona a conservação de energia mecânica com a conservação do momento linear de um sistema dinâmico é antecessora das formulações das mecânicas hamiltoniana e newtoniana e considerada de fundamental importância a estas) e a mecânica hamiltoniana (elaborada pelo matemático William Hamilton pode ser empregada para modelar a energia de outros sistemas dinâmicos mais complexos tais como órbitas planetárias e na mecânica quântica) (AGUIAR, Marcus. Tópicos de Mecânica Clássica. Campinas: UNICAMP, 2010. Disponível no website ). A Mecânica Clássica é geralmente classificada em Estática, Cinemática e Dinâmica. A Mecânica Clássica é assim compatível com as outras teorias clássicas fundamentadas na dinâmica da matéria, a citar a Termodinâmica e a Gravitação Universal. De certo modo, o restante da Física pode ser visto como generalizações da Mecânica Clássica como a Teoria da Relatividade, a Mecânica Quântica, a Mecânica Estatística e a Teoria de Campos. A Mecânica Clássica não pode ser aplicada a velocidades muito altas que só podem ser tratadas com a Teoria da Relatividade ou a massas muito pequenas, pois a partir daí necessita-se da Mecânica Quântica. Muitos inventos aconteceram apoiados pelos conhecimentos adquiridos com base na Mecânica Clássica. Entre os inventos baseados na Física ou Mecânica Clássica destacam-se cronologicamente os seguintes: 1) Balão inventado por Joseph-Michel Montgolfier e Jacques-Étienne Montgolfier da França em 1745; 2) Máquina a vapor inventada em 1765 por James Watt na Inglaterra; 3) Bateria inventada por Alessandro Volta em 1800 na Itália; 4) Tecnologia de célula solar para geração de eletricidade inventada na França em 1800 por Antoine – César Becquerel; 5) Locomotiva a vapor inventada em 1804 por Richard Trevithick na Inglaterra; 6) Barco a vapor inventado por Robert Fulton em 1807 nos Estados Unidos; 7) Gerador elétrico inventado por Faraday em 1831; 8) Telégrafo inventado em 1837 por Samuel Morse nos Estados Unidos; 9) Elevador predial inventado por Elijah Otis em 1852 nos Estados Unidos; 9) Balão dirigível inventado por Jules Henri Giffard em 1852 na França; 10) Motor de combustão interna inventado por Nikolaus August Otto em 1860 na Alemanha; 11) Canal de interligação oceânica sendo o primeiro o Canal de Suez ligando o Mar Mediterrâneo ao Mar Vermelho construído pela Companhia Suez de Ferdinand de Lesseps entre 1859 e 1869; 12) Metrô sendo o primeiro construído em 1863 em Londres; 13) Dirigível Zeppelin inventado pelo alemão Ferdinand von Zeppelin em 1874, desenvolvido em 1893 e com os primeiros voos comerciais iniciados em 1910; 14) Automóvel moderno inventado em 1876 por Karl Benz na Alemanha; 15) Telefone inventado por Graham Bell em 1876; 1
16) Lâmpada elétrica inventada por Thomas Edson em 1879 nos Estados Unidos; 17) Usina Hidrelétrica sendo a primeira construída em 1882 no rio Fox em Appleton, Wisconsin, Estados Unidos inspirada nos planos de Thomas Edson; 18) Usina termoelétrica sendo a primeira construída em 1882 em New York; 19) Televisão inventada pelo alemão Paul Nipkow em 1884; 20) Arranha-céu (Home Insurance Building) sendo o primeiro construído por William Jenney em 1884 em Chicago; 21) Turbina eólica para geração de eletricidade inventada em 1887 pelo escocês James Blyth e desenvolvida também pelo norte-americano Charles Francis Brush em 1888 e pelo dinamarquês Poul La Cour em 1890; 22) Rádio inventado por Guglielmo Marconi em 1895 na Itália; 23) Cinema inventado pelos irmãos Lumiére em 1895; 24) Rádio inventado por Guglielmo Marconi em 1895 na Itália; 25) Avião a hélice inventado por Santos Dumont do Brasil e irmãos Wright dos Estados Unidos em 1906; 26) Avião a jato inventado em 1929 pelo inglês Frank Whittle cuja primeira experiência foi realizada em 1941; 27) Foguete V-2 desenvolvido por Wernher von Braun, Arthur Rudolf e Kurt Debus entre 1935 e 1945 na Alemanha; 28) Computador maiframe inventado em 1946 e aperfeiçoado em 1964 pela IBM; 29) Fibra Ótica desenvolvida pelo físico indiano Narinder Singh Kapany em 1952, o revolucionário instrumento de telecomunicações; 30) Usina nuclear para geração de eletricidade em 1954 ativada pelo reator da Central Nuclear de Obninsk na ex-União Soviética; 31) Satélite artificial sendo o primeiro o Sputnik desenvolvido pela União Soviética em 1957; 32) Espaçonave Apolo 11 projetado pela NASA na década de 1960; 33) Micro computador desenvolvido pela União Soviética em 1965; 34) Drone inventado por Abe Karem de Israel nas décadas de 1960 e 1970; 35) Eurotúnel do Reino Unido à França inaugurado em 1994; 36) Smartphone desenvolvido por Steve Jobs em 2007; 37) Estação Espacial Internacional em operação em 2011; 38) Projeto de Túnel Submarino através do Estreito de Bering; 39) Projeto de Trem Transatlântico Submarino de New York a Londres; e, 40) Tecnologia militar (fabricação de explosivos e armas químicas, mísseis balísticos intercontinentais, radares, tanques de guerra, minas terrestres, diversos explosivos, foguetes, drones, sondas e satélites em órbita, criptografia utilizada em computadores, celulares etc., “capa da invisibilidade" para tornar objetos tridimensionais "invisíveis", entre outros) (CHALLONER, Jack. 1001 invenções que mudaram o mundo. Rio de Janeiro: Editora Sextante, 2014). Os paradigmas estabelecidos na Mecânica Clássica por Isaac Newton foram quebrados em consequência do surgimento da Teoria da Relatividade de Albert Einstein que publicou as teorias da Relatividade Restrita, em 1905, e da Relatividade Geral, em 1915, que mudaram para sempre a maneira como passamos a entender o Universo. Espaço e tempo deixam de ser independentes e Einstein cria um novo conceito revolucionário na Física, o de espaço-tempo. A Teoria da Relatividade Restrita se baseia no fato de que a velocidade da luz é constante para todos. Einstein chegou a esta conclusão em 1905, após provas experimentais mostrarem que a velocidade da luz não se alterava enquanto a Terra girava em torno do Sol. Einstein disse que todos os observadores vão medir a velocidade da luz em 299.792.458 metros por segundo, não importa o quão rápido e em que direção eles estejam se movendo (EINSTEIN, Albert. A Teoria da Relatividade. São Paulo: L&PM Editores, 2013). Se a velocidade da luz é para ser mantida constante como Einstein (2013) disse, então o tempo e o espaço não podem ser absolutos como na Física newtoniana. Talvez ainda mais estranho, o tempo passa mais devagar conforme mais rápido algo se move. Para um corpo parado, o tempo corre com velocidade máxima. Mas quando o corpo começa 2
a se movimentar e ganha velocidade na dimensão do espaço, a velocidade do tempo diminui para ele, passando mais devagar. Se há dois irmãos gêmeos na Terra, e um deles decide fazer uma viagem em uma espaçonave muito rápida para alguma estrela distante e depois voltar, a pessoa que foi voltará muito mais jovem do que seu irmão que ficou na Terra. Esse é o famoso Paradoxo dos Gêmeos. Uma consequência dessa alteração da velocidade do tempo é a contração no comprimento dos corpos. Segundo a Teoria da Relatividade Restrita, quanto mais veloz alguma coisa está, mais curta ela fica. E também, quanto mais rápido um objeto se move, mais massivo ele se torna. Na verdade, nenhuma nave espacial jamais poderia atingir 100% da velocidade da luz, porque a sua massa iria crescer até ao infinito. Esta relação entre a massa e a velocidade é muitas vezes expressa como uma relação entre a massa e energia: E = mc2, onde E é a energia, m é a massa e c é a velocidade da luz. Com a Relatividade geral, Einstein (2013) decidiu perturbar ainda mais a nossa compreensão do tempo e do espaço. Ele passou a generalizar sua teoria, incluindo aceleração e descobriu que esta distorce a forma do tempo e espaço. Ele descobriu que o espaço e o tempo são curvos perto de um objeto de grande massa, e essa curvatura é o que experimentamos como a força da gravidade. É como imaginar o espaço-tempo sendo uma cama elástica, e sobre ela bolas de boliche, que seriam estrelas ou planetas. Quanto mais pesado um objeto é, mais ele distorce esse tecido, isto é, distorce o espaço-tempo. A Relatividade Geral previu que os raios de luz emitidos por estrelas distantes viajariam por trajetórias curvas ao passar pelas proximidades do Sol. Einstein (2013) empregou as novas equações para tornar preciso o experimento e calculou a forma matemática do encurvamento do espaço e, consequentemente, da trajetória curva do raio de luz. Para testarem a previsão, os astrônomos precisariam ver as estrelas distantes tendo o Sol em primeiro plano, e isso só seria possível quando a Lua encobrisse a estrela em um eclipse total. O eclipse solar que se seguiria, em 29 de maio de 1919, seria, portanto, o campo de provas da Relatividade Geral. Equipes de astrônomos britânicos se dirigiram a dois locais em que o eclipse do Sol seria total — Sobral, no Ceará, e a Ilha de Príncipe, próxima à costa ocidental da África. Lutando contra as impertinências do tempo, cada equipe fotografou estrelas distantes, momentaneamente visíveis quando a Lua passou sobre o Sol. Durante os meses seguintes, enquanto se faziam cuidadosas análises das imagens, Einstein esperava pelos resultados. Por fim, em 22 de setembro de 1919, ele recebeu um telegrama que anunciava a confirmação das suas previsões. Einstein (2013) previu que os raios de luz emitidos por estrelas distantes viajariam por trajetórias curvas ao passar perto do Sol. Isso foi comprovado, inicialmente, no eclipse solar de 1919 e, depois, em experimentos conduzidos pela NASA. Desde o italiano Galileu, o céu é vasculhado com telescópios para captar ondas de luz emitidas por corpos celestes. O próximo capítulo da Astronomia pode centrar-se na captação de ondas gravitacionais, também teorizadas por Einstein. Nas décadas seguintes foram feitas inúmeras observações e experimentos — alguns ainda em curso — que trouxeram um grau máximo de confiança à Relatividade Geral. Um dos mais impressionantes é um teste observacional que durou quase cinquenta anos, um dos mais longos já efetuados pela NASA, a agência espacial americana. Einstein (2013) afirma que, quando um corpo como a Terra gira em torno de seu eixo, ele arrasta o espaço à volta em um redemoinho. No início da década de 1960, físicos de 3
Stanford criaram um experimento para comprovar a previsão — o lançamento de quatro giroscópios ultraprecisos que giraram em órbita próxima à Terra — e observaram as mudanças mínimas na orientação dos eixos dos próprios giroscópios que, segundo a teoria, deveriam ser provocadas pelo redemoinho do espaço. Em 2011, a equipe da NASA anunciou que o trabalho de cinquenta anos chegara a um resultado conclusivo: os giroscópios se comportaram de acordo com a medida prevista por Einstein. O êxito das comprovações é estimulante, não porque ainda exista alguém que duvide da Relatividade Geral, mas porque a ratificação por observações práticas pode conduzir a aplicações novas e produtivas. As medições do eclipse de 1919, por exemplo, que certificaram que a gravidade enverga a trajetória dos raios de luz, levaram à criação de uma técnica bem-sucedida que hoje é usada para identificar planetas extrassolares. Quando esses planetas passam em frente de sua estrela-mãe, afetam ligeiramente a luz emitida pela estrela, gerando um padrão de aumento e diminuição de intensidade que os astrônomos podem detectar. Outro exemplo de aplicação, este mais familiar, é o sistema de posicionamento global, o GPS, que existe em consequência da descoberta de Einstein de que a gravidade afeta a passagem do tempo. O GPS determina localizações medindo o tempo de viagem dos sinais recebidos de vários satélites. Se não levasse em conta o impacto da gravidade sobre a passagem do tempo nos satélites, o sistema não poderia determinar corretamente onde está um objeto, seja ele o seu carro ou um míssil intercontinental. Os físicos ainda creem que a detecção de ondas gravitacionais, provável consequência da teoria de Einstein (2013), terá o poder de gerar uma nova aplicação de grande importância: o surgimento de um campo de ação para a astronomia observacional. Desde o tempo de Galileu, olhamos o céu com telescópios para captar ondas de luz emitidas por corpos celestes. A próxima fase da astronomia pode centrar-se na captação de ondas gravitacionais produzidas por acidentes cósmicos distantes, o que nos permitirá examinar o Universo de maneira totalmente inédita. Isso é particularmente interessante porque as ondas de luz não podiam penetrar no plasma que ocupava todo o espaço nas primeiras centenas de milhares de anos que se seguiram ao Big Bang, ao contrário do que sucedia com as ondas gravitacionais. Um dia, portanto, poderemos usar a gravidade, e não a luz, como guia para sondar os primeiros momentos do Universo. Como ondas gravitacionais se movem pelo espaço de maneira similar à das ondas sonoras pelo ar terrestre, os cientistas falam em “ouvir” os sinais gravitacionais. Entre os inventos baseados na Teoria da Relatividade destacam-se os seguintes: 1) a explicação do efeito fotoelétrico descoberto pelo físico alemão Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) em 1887, que ocorre quando determinado tipo de radiação (luz visível, luz ultravioleta, raios X, entre outras) atinge a superfície de determinados materiais, provocando a ejeção de elétrons; 2) dispositivos como as células fotovoltaicas, usadas na fabricação dos painéis solares, utilizam o efeito elétrico em sua concepção; 3) a exploração da energia nuclear que demonstrou com a famosa equação E=mc 2 a equivalência entre a massa e a energia de um corpo; 4) o laser (sigla em inglês para “amplificação da luz por emissão estimulada de radiação”) fabricado em 1960, presente em toda parte hoje em dia – nos consultórios médicos e odontológicos, na indústria, nos leitores de CD e DVD e nos “apontadores” que os conferencistas utilizam; 5) cálculos derivados das teorias da relatividade geral e restrita de Einstein que permitem corrigir erros nos relógios atômicos dos satélites do sistema de posicionamento global (GPS); 6) o magnetismo que só é possível graças à Teoria da Relatividade; 7) o funcionamento da velha TV de tubo; 8) o ouro ser dourado porque sem os efeitos da 4
relatividade seria mais azulado; 9) o mercúrio ser líquido na natureza (SANTOS, Carlos Alberto. As digitais de Einstein em nosso cotidiano. Disponível no website , 2008), MUNHOZ, Vinicius. 6 provas da Teoria da Relatividade em nosso cotidiano. Disponível no website , 2014 e CHALLONER, Jack. 1001 invenções que mudaram o mundo. Rio de Janeiro: Editora Sextante, 2014). Os paradigmas estabelecidos na Mecânica Clássica por Isaac Newton e na Teoria da Relatividade por Albert Einstein foram quebrados com o advento em 1927 da Física Quântica e do Princípio da Incerteza de Werner Heisenberg que se transformou em um enunciado da Mecânica ou Física Quântica (BORN, Max, AUGER, Pierre, SCHRÖDINGER, Erwin e HEISENBERG, Werner. Problemas da Física Moderna. São Paulo: Editora Perspectiva, 2011). Física Quântica quebrou o paradígma deterministico que prevalecia
anteriormente que na sua formulação indicava que sabendo a posição inicial e o momento (massa e velocidade) de todas as partículas pertencentes a um sistema, podemos calcular suas interações e prever como elas se comportarão. Porém, para a Mecânica Quântica, esse processo é mais complexo. Já antes da formulação desse princípio, Werner Heisenberg descobrira novas propriedades matemáticas relacionadas à Física Quântica. Nele, mostrou que no reino do quantum havia certos pares de propriedades das quais, quanto mais se sabe a respeito de uma partícula, menos é possível saber sobre a outra. Quanto mais formos capazes de medir a velocidade de uma partícula, menos seguros estaremos de sua posição; e o mesmo acontece com diversas outras quantidades interligadas. A Mecânica Quântica surgiu da necessidade de explicar melhor a estrutura atômica já que as teorias existentes não a explicavam. De acordo com esse princípio, não se pode determinar com precisão e simultaneamente a posição e o momento de uma partícula (BAGGOTT, Jim. The Quantum Story. Oxford e New York: Oxford University Press, 2011 e GRIFFITHS, David. Mecânica Quântica. Recife: Pearson Brasil, 2011). Os conceitos de Física Quântica estão cada vez mais presentes em trabalhos de Filosofia, Psicologia e até Teologia. A Mecânica Quântica é a teoria física criada na década de 1920 para explicar os fenômenos físicos em escala atômica e subatômica. “Física Quântica” e “Mecânica Quântica” são utilizadas como sinônimos. A Física Quântica serve para explicar o mundo em que vivemos: as partículas elementares de matéria e de antimatéria, o átomo e sua estrutura, a constituição e propriedades da matéria ordinária em suas diversas formas, a origem e a evolução do Universo. Há também um número imenso de aplicações na técnica, como a energia nuclear, os lasers e seus diversos empregos em comunicações, medicina e indústria, além do computador, cujos componentes básicos são aplicações da Física Quântica. Na Medicina, além do laser, não podemos deixar de mencionar a imagem por ressonância magnética, uma aplicação direta de conceitos quânticos. O mundo moderno é impensável sem a Física Quântica. As aplicações tecnológicas mais comuns da Física Quântica são a ligação química, o laser, os semicondutores e a física nuclear (CHALLONER, Jack. 1001 invenções que mudaram o mundo. Rio de Janeiro: Editora Sextante, 2014). *Fernando Alcoforado, 76, membro da Academia Baiana de Educação, engenheiro e doutor em Planejamento Territorial e Desenvolvimento Regional pela Universidade de Barcelona, professor universitário e consultor nas áreas de planejamento estratégico, planejamento empresarial, planejamento regional e planejamento de sistemas energéticos, é autor dos livros Globalização (Editora Nobel, São
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Paulo, 1997), De Collor a FHC- O Brasil e a Nova (Des)ordem Mundial (Editora Nobel, São Paulo, 1998), Um Projeto para o Brasil (Editora Nobel, São Paulo, 2000), Os condicionantes do desenvolvimento do Estado da Bahia (Tese de doutorado. Universidade de Barcelona,http://www.tesisenred.net/handle/10803/1944, 2003), Globalização e Desenvolvimento (Editora Nobel, São Paulo, 2006), Bahia- Desenvolvimento do Século XVI ao Século XX e Objetivos Estratégicos na Era Contemporânea (EGBA, Salvador, 2008), The Necessary Conditions of the Economic and Social Development- The Case of the State of Bahia (VDM Verlag Dr. Müller Aktiengesellschaft & Co. KG, Saarbrücken, Germany, 2010), Aquecimento Global e Catástrofe Planetária (P&A Gráfica e Editora, Salvador, 2010), Amazônia Sustentável- Para o progresso do Brasil e combate ao aquecimento global (Viena- Editora e Gráfica, Santa Cruz do Rio Pardo, São Paulo, 2011), Os Fatores Condicionantes do Desenvolvimento Econômico e Social (Editora CRV, Curitiba, 2012) e Energia no Mundo e no BrasilEnergia e Mudança Climática Catastrófica no Século XXI (Editora CRV, Curitiba, 2015). Possui blog na Internet (http://fernando.alcoforado.zip.net). E-mail:
[email protected].
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