Fronteiras da Física: A Busca pela Unificação da Física parte 2

Albert Einstein escreveu um artigo mostrando que é desnecessária a existência do éter. Contudo, era preciso abandonar a idéia de tempo absoluto. O que Einstein escreveu em seu artigo é que as leis da física devem ser as mesmas para qualquer observador, independente de sua velocidade. Para Einstein, todos os observadores devem medir a mesma velocidade da luz, independente se estão se movendo no mesmo sentido ou no sentido contrario a fonte de luz. Para que todos os observadores possam medir a mesma velocidade da luz, era preciso abandonar o conceito de tempo absoluto.

Para analisarmos a questão do tempo, vamos imaginar novamente o trem (que foi visto na parte anterior). Suponha que uma pessoa dentro do trem acenda uma lanterna, enquanto uma pessoa na plataforma observa. Como o trem está em movimento, as duas pessoas medem distâncias diferentes na qual a luz percorreu. Sabemos que a velocidade é a variação de espaço sobre tempo, portanto se a medição da distância for diferente entre os observadores o mesmo acontecerá com o tempo. Dessa forma, cada observador tem sua medida de tempo. Essa publicação de Einstein deu origem ao que chamamos de relatividade restrita. O tempo não passou ser visto como um elemento a parte do espaço, pelo contrario, tempo e espaço estão interligados.

Um desfecho da relatividade restrita é que a energia de um corpo é diretamente proporcional a sua massa multiplicada pela velocidade da luz ao quadrado. Isso originou a equação mais conhecida de todos os tempos: E= mc². Se a massa de um corpo aumenta, sua energia também irá aumentar, por isso nada poderá percorrer uma velocidade maior que a da luz. Cada vez que um corpo aumenta sua velocidade, ele aumenta sua massa e por essa razão será preciso mais energia para movê-lo. Se o corpo ultrapassar a velocidade da luz, sua massa será estendida ao infinito e o corpo precisará de energia infinita para se mover, mas a energia em todo o universo é finita.

E o que isso tem de errado com a física?

Até o tempo de Einstein, o universo era tido de acordo com o modelo newtoniano. Mas o que Newton dizia sobre o universo? Embora Newton houvesse descoberto a gravitação e enunciado suas leis em seu famoso livro, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, ele desconhecia o fator que causava gravidade. Por outro lado, ele mostrou que, se de repente, o Sol sumisse todos os planetas abandonariam suas órbitas instantaneamente e fugiriam em direção ao espaço.

Contudo, essa observação não estava de acordo com a relatividade de Einstein. A relatividade mostra que nada, nem mesmo a gravidade, pode ser mais rápida que a luz. Portanto, se o Sol desaparecer iremos primeiro ficar sem o seu brilho, para depois sentirmos falta de sua influência gravitacional. Einstein, portanto, dedicou-se a encontrar uma teoria que descrevesse a força gravitacional.

Por alguns anos, Albert Einstein se dedicou a uma nova teoria, e a construiu. Ele tinha o tempo como parte do universo. Espaço e tempo estavam interligados, num universo de quatro dimensões. E tudo no universo seguia as mesmas leis da natureza. Para explicar a gravidade de Newton, Einstein mostrou que os corpos celestes estão sobre uma espécie de tecido cósmico. Devido ao peso dos corpos, esse tecido cósmico se curva para dentro. Basta imaginar uma folha de borracha. Coloque sobre essa folha de borracha uma esfera de ferro, a folha irá curvar-se devido ao peso da esfera. Se você lançar uma esfera menor de um lado a outro da folha, a mesma irá dar voltas em torno da esfera maior. A esfera maior seria o Sol e a esfera menor os planetas, enquanto a folha de borracha seria o tecido do espaço. Essa idéia ficou conhecida como relatividade geral.

Quanto maior o peso de um corpo, maior a curvatura do espaço a sua volta e consequentemente maior atração gravitacional. Karl Schwarzchild propôs, em 1916, a existência de regiões do espaço de densidade infinita. Schwarzchild mostrou que se a matéria for concentrada num espaço extremamente pequeno, ela criará uma região onde a gravidade é tão grande que nem mesmo a luz conseguiria escapar. Essa matéria iria criar o chamado buraco negro. Einstein não estava certo se isso poderia ocorrer. Mas a sua preocupação maior no momento era outra. Ele já estava fascinado com o eletromagnetismo de Maxwell, e seu desejo, agora, era juntar a relatividade geral com o eletromagnetismo em uma única teoria, uma teoria que ele escreveria tudo no universo, uma teoria de tudo. Porem havia algumas complicações. Uma delas é que a relatividade não possuía uma explicação para o surgimento do universo. Outra complicação é que a força gravitacional parecia ser bem mais fraca que a força eletromagnética. Quando uma teoria encontra complicações, ela precisa ser mudada. Em seus últimos anos de vida, o criador da relatividade buscou encontrar sua teoria de tudo.

Enquanto Einstein pensava a respeito da relatividade, uma nova teoria surgia para explicar o mundo do muito pequeno. A teoria atômica nos mostrou uma reformulação na maneira de ver a matéria, e o modelo atômico passou por transformações: do modelo “bola de bilhar” de Dalton, para o “pudim de passas” de J. J. Thomson até a descoberta da eletrosfera do Rutherford. O átomo agora apresentava divisões, havia prótons e nêutrons em seu núcleo e elétrons orbitando-os. Mas a idéia que mudaria o curso da física veio com o físico Max Karl Ludwig Planck.

Outro físico, Gustav Kirchhoff, mostrou que quando um corpo é aquecido ele libera radiação, é o que acontece com carvão em brasa. Esse conceito é chamado de radiação de corpo negro. De acordo com o que se pensava a luz, e qualquer forma de radiação, se propagavam como ondas. Dessa maneira a radiação emitida pelos corpos deveria ser a soma de todas as radiações liberada pelo corpo, pois ele faz isso em todas as direções, sendo assim a energia total da radiação seria infinita. Mas isso é impossível. Para resolver esse problema, Max Planck mostrou que a energia não vem de forma continua, mas vem em pequenos pacotes quantizados, denominados “quanta”. Utilizando-se desse conceito, Einstein mostrou que a luz vem em forma de grãos de energia o qual ele chamou de fóton. Com esse conceito, Einstein explicou o efeito fotoelétrico e ganhou o premio Nobel. A luz, que até então era vista como uma onda, passara a ser vista também como uma partícula. Esse estudo do mundo atômico deu origem a uma das teorias mais bizarras já pensadas pelo homem: a mecânica quântica!

As leis da física parecem um tanto quanto estranhas nesse mundo do átomo. As leis de Newton funcionam muito bem em escalas macroscópicas, mas nas escalas microscópicas a realidade é outra. A nova teoria mostrou que partículas possuem uma dualidade: ora são partícula outrora são ondas. O francês Prince Louis-Victor De Broglie foi quem introduziu a ideia de que o elétron pode ser tanto partícula quanto onda. Essa é chamada dualidade partícula-onda, e pode ser observada pelo experimento da dupla fenda. Esse experimento consiste em deixar que a luz visível passe primeiro por uma fenda e depois por duas fendas. Atrás das fendas é colocado um limite para a luz, como uma parede. Se você fizer a experiência com ondas de água, perceberá que ao passar pelas duas fendas as ondas iram se cancelar formando outras ondas que se cancelarão e etc. Se fizer com que a luz passe pelas duas fendas, ocorrerá o mesmo fenômeno que ocorreu com as ondas de água. Atrás das fendas serão criados padrões de interferência, regiões claras e escuras, portanto a luz se comporta como uma onda e como uma partícula, basta lembrar-se do efeito Compton e associa-lo a um jogo de bilhar.

O estranho é que o mesmo experimento foi feito com elétrons, e o resultado foi o mesmo. Mas o que há de estranho nisso? O estranho é que, quando decidiram lançar um único elétron pelas duas fendas, o efeito foi o mesmo das ondas! Um único elétron passou pelas duas fendas ao mesmo tempo.

Para a mecânica quântica, não é possível dizer qual fóton ou qual elétron passou por qual fenda. É como se essas partículas tivessem vida própria e escolhessem a fenda por qual passaram. No caso do único elétron, a impressão é que o mesmo sabe que está sendo observado e dessa maneira passaria pelas duas fendas, como que se houvesse uma divisão. Agora, se as partículas atômicas se comportam como ondas, poderemos vê-las como probabilidades. A incerteza da posição das partículas levou o físico Werner Heisenberg, em 1927, a enunciar uma das bases da mecânica quântica: o principio da incerteza!