Besthome | 140 anos de Albert Einstein: a ciência antes e depois do gênio
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140 anos de Albert Einstein: a ciência antes e depois do gênio

O cientista que revolucionou as compreensões de espaço e tempo nasceu há 140 anos.

A ciência pode ser dividida em antes e depois de Albert Einstein. O Nobel de Física transformou as compreensões de espaço, tempo, massa e energia, e inaugurou a ciência contemporânea. Algo que os pais, Pauline e Hermann, não poderiam imaginar há 140 anos, quando, no dia 14 de março de 1879, na cidade alemã de Ulm, nascia seu filho Albert Einstein. Tampouco sua genialidade foi percebida na escola: um professor sentenciou que Einstein não seria nada na vida. Um grande engano, visto que, com apenas 26 anos, já teria publicado a Teoria da Relatividade Especial, que revolucionou a ciência de forma irreversível.

“A imaginação é mais importante que o conhecimento”, registrou em seu livro Sobre Religião Cósmica e Outras Opiniões e Aforismos (1931), e justificou: “o conhecimento é limitado, enquanto a imaginação abraça o mundo inteiro, estimulando o progresso, dando à luz à evolução”. Albert Einstein acreditava no poder da intuição. Sonhador e questionador, muito jovem já estaria se dedicando aos devaneios de desvendar o mundo. Foi assim que, aos 16 anos, vivendo na Itália, em um passeio de carro pelos verdes campos da Toscana, Albert Einstein escreveu um ensaio cujo propósito era refletir sobre como uma pessoa veria um raio de luz se pudesse viajar ao lado dele, em velocidade aproximadamente igual. A Teoria da Relatividade Especial começava a ser vislumbrada.

Com 16 anos também seria sua primeira tentativa de entrar para a Escola Politécnica de Zurique. No entanto, foi reprovado no vestibular, para um ano depois ser admitido. Mais uma vez não se encaixou no sistema e recebeu a alcunha de um estudante rebelde e impertinente. Faltava aulas, lia títulos que não faziam parte do curso, irritava professores com suas perguntas. Em 1900, concluiu a graduação em Matemática e Física e, cinco anos depois, revolucionaria a ciência com a publicação de cinco artigos na renomada revista científica alemã Annalen der Physik. O primeiro tratava da radiação e das propriedades energéticas da luz e investigava o porquê de alguns corpos emitirem elétrons quando atingidos pela luz – o chamado efeito fotoelétrico. No estudo, Einstein apresentava a concepção de que sistemas físicos podem se comportar como ondas (energia) e partículas (matéria) ao mesmo tempo. O segundo viria a se tornar a tese de doutorado para a Universidade de Zurique e determinava o tamanho exato de átomos a partir da difusão e da viscosidade em soluções diluídas de substâncias neutras. O terceiro dava conta de explicar como o movimento browniano permitia compreender a natureza das moléculas. Apesar de não ter o impacto dos demais estudos, com a explicação desse fenômeno, Einstein não só confirmou matematicamente a existência dos átomos e das moléculas, como inaugurou um novo campo de estudo da física: a física estatística.

A Teoria da Relatividade Especial foi apresentada no quarto artigo, em que contrariava as ideias clássicas apresentadas por Newton e afirmava que espaço e tempo não são grandezas absolutas. Assim, postulou que a velocidade da luz é imutável, constante e independente do movimento do observador e, por isso, tudo é relativo, inclusive tempo, distância e massa. O quinto e último artigo, dava conta de provar a equivalência entre massa e energia, expressa na equação E = mc², onde E é energia, m, massa e c, a velocidade da luz no vácuo. Uma das mais conhecidas fórmulas da história, a equivalência entre massa e energia permitiu a dedução da existência de uma energia restante em processos como a fissão nuclear dos átomos, que foi utilizada para aplicações bélicas como a construção da bomba atômica lançada em Hiroshima e Nagasaki, no fim da 2ª Grande Guerra, em 1945. Segundo o doutor em Astrofísica e professor do Instituto de Física da UFRGS, Jorge Ducati, o mais notável é que uma só pessoa seja responsável por todos estes estudos. “Em alguns casos, a partir de ideias muito novas e que não estavam circulando no ambiente científico”, acrescenta.

Pois entre tantas descobertas registradas em seu “ano miraculoso científico, não foi pela relatividade que recebeu o prêmio Nobel de Física de 1921, mas sim aquela que propunha a lei do efeito fotoelétrico. Para o Comitê Nobel para Física da Academia Real de Ciências da Suécia, na época, a explicação de que o efeito fotoelétrico ocorre em razão do comportamento corpuscular da luz, composta por um grande número de partículas chamadas de fótons, era a maior contribuição de Einstein à ciência. Em discurso de apresentação do prêmio, Svante Arrhenius, coordenador do Comitê, justificou a menor importância dada à Teoria da Relatividade, pois suas principais discussões estariam restritas à epistemologia e à filosofia. Pós-doutor em Ciências Exatas e da Terra e professor da Universidade do Vale do Rio dos Sinos (Unisinos), Martin Fleck afirma que a criação do conceito de fóton foi essencial para a concepção da moderna teoria quântica da matéria: “essa teoria proporciona as bases necessárias ao entendimento do magnetismo nos sólidos, da condutividade dos metais e semicondutores e é essencial em todos os estudos de novos materiais”.

Nasce a ciência contemporânea

A Teoria da Relatividade Especial punha em xeque os conceitos clássicos de espaço e tempo por meio da constância da velocidade da luz. Essas grandezas são relativas à localização do observador. Se uma lâmpada, que se encontra exatamente no meio do caminho entre o vidro dianteiro e o traseiro de um carro, for acesa, ela refletirá os dois vidros ao mesmo tempo. Isso para o motorista que está dentro do carro em movimento na estrada. Para um observador externo, a luz chega primeiro ao vidro traseiro, devido ao movimento do veículo. Einstein provou que nenhum dos dois observadores está errado. De acordo com Fleck, conceitos revolucionários como o do espaço-tempo, mexem diretamente com o conjunto de crenças cotidianas que adquirimos durante nossa vida e causam perplexidade a quem se vê obrigado a substituí-las por algo novo e, até então, impensável. “A ideia de que o tempo é uma grandeza relativa ao observador é uma ideia encantadora, surpreendente e arrebatadora”, afirma.

O desdobramento dessa constatação é a ideia de que massa pode ser convertida em energia e vice-versa. Como nos aceleradores de partícula, uma grande quantidade de energia pode ser convertida em um pequeno acréscimo de massa. No entanto, essa descoberta acabou sendo usada de forma que Einstein não desejava: sabendo que uma pequena quantidade de massa pode transformar-se em grande quantidade de energia, pôde-se produzir uma bomba atômica.

Não satisfeito, Einstein levou o estudo da relatividade a novos patamares. As conclusões apresentadas pela Teoria da Relatividade Especial levam em consideração uma situação “ideal”, em que os observadores ou estavam imóveis ou em movimento retilíneo uniforme, um quadro que não descreve a realidade que enxergamos quando olhamos para uma estrada. Das novas reflexões, surgiu, em 1915, a Teoria da Relatividade Geral, que se dedicou ao estudo do fenômeno da gravitação. Segundo o físico, os planetas são mantidos em suas órbitas devido a um encurvamento do espaço-tempo produzido pela enorme massa do Sol e não pela atração dos corpos gerada pela força gravitacional. Imagine que o espaço é uma cama elástica e os planetas são bolas: se você jogar uma bola na superfície, que é plana, ela fica parada; mas se uma criança subir na cama elástica, ela cria uma deformação, nessa situação, a bola cairia na cavidade produzida pela massa da criança. Einstein explica que, se você coloca algo grande e pesado no espaço, como a criança na cama elástica, o espaço se dobra ao redor dessa massa, formando uma cavidade profunda. Essa teoria foi a responsável por inaugurar de vez a ciência contemporânea e consagrar seu autor.

Para Matheus Brasil Coutinho, físico da coordenadoria do Museu de Ciência e Tecnologia da PUCRS, a teoria, “elegante e muito brilhante”, introduziu conceitos cuja verificação prática não era possível na época, mas que, ao longo dos anos, com o desenvolvimento científico, podemos observá-la. “As Ondas Gravitacionais, por exemplo, foram detectadas em 2016, 100 anos depois de sua concepção teórica”, exemplifica o físico. Coutinho acrescenta que as concepções de Einstein permitiram a mudança de paradigmas existentes na época: “Einstein calculou novos caminhos para o desenvolvimento da Física”.

O legado

Mesmo que o buraco negro em si não possa ser visto, o gás que cai nele brilha e, contra essa iluminação, é possível observar sua sombra. Assim, uma equipe internacional de mais de 200 cientistas conseguiu a primeira imagem de um buraco negro, gerada pela unificação de dados registrados por uma rede de oito radiotelescópios espalhados pelo mundo. As equações da relatividade geral formuladas por Einstein também previram que um horizonte de eventos deveria ter uma forma circular e tamanho proporcional à massa do buraco negro. Divulgada em abril deste ano, a imagem confirma novamente a Teoria da Relatividade Geral: segundo os cientistas, as equações da gravidade se sustentam até mesmo sob as condições extremas ao redor do buraco negro, comprovando também a atualidade das pesquisas de Einstein.

Para Fleck, professor da Unisinos, as pesquisas de Einstein foram realizadas em um nível de escopo tão elevado que, na prática, é quase impossível que não se utilize de seus resultados em qualquer pesquisa hoje. Segundo o professor, o nome Einstein tornou-se sinônimo de ciência: “Se perguntarmos a uma criança como um cientista se parece, ela vai desenhar um louco mostrando a língua com cabelo bagunçado”. Coutinho, físico do MCT, complementa: “Einstein contribuiu em uma miríade de assuntos e desenvolvimentos científicos, direta e indiretamente que, aliado ao fato de sua irreverência e forte posicionamento político, seu personagem ficou marcado como uma das maiores figuras do século XX”.

Não é preciso ir tão longe para enxergar o quanto o cientista permanece atual em suas descobertas. Foi graças a Teoria da Relatividade Geral, também, que se criou o GPS (Sistema de Posicionamento Global). Os softwares de geolocalização nos localizam rapidamente e com alta precisão, utilizando a Teoria da Relatividade funciona como um “calibrador”. “Os satélites do GPS estão em movimento, e submetidos à gravitação terrestre, o que os configura como sendo sistemas acelerados. Pela Relatividade Geral, a passagem de tempo nesses sistemas passa por uma dilatação. Os satélites têm a bordo relógios atômicos que são usados para medir o tempo e, a partir disto, determinar posições”, explica o professor da UFRGS, Jorge Ducati. O que o doutor em Astrofísica aponta é a diferença do tempo de resposta entre os satélites que orbitam a Terra e nossos aparelhos. Estes satélites estão a 20 mil km de distância da superfície da Terra em uma velocidade de movimento de 10 mil km/h, por isso sofrem efeitos menores de gravidade. O resultado desse efeito é uma diferença de cerca de sete microssegundos em relação a nós, variação de tempo suficiente para implicar em uma imprecisão de 10 km na localização do GPS diariamente. Além disso, Ducati destaca que a passagem do tempo nestes relógios atômicos é alterada pela aceleração dos satélites: “se este efeito não fosse levado em conta, o GPS não teria a precisão que tem hoje”. Pois todos os aparelhos no espaço contam com cronômetros precisos que se adaptam ao tempo na Terra.

Outra contribuição é a aplicação de seus estudos sobre o comportamento da luz, que resultaram no trabalho sobre o efeito fotoelétrico, nas células fotovoltaicas, capazes de produzir energia solar. Quando a luz solar incide sobre uma célula fotovoltaica, os elétrons do material semicondutor – normalmente silício – são postos em movimento, de modo a gerar eletricidade. O efeito fotoelétrico, como ressalta Jorge Ducati da UFRGS, é amplamente utilizado, não estando restrito aos painéis solares: também é o princípio de funcionamento das câmeras digitais que equipam nossos celulares, bem como da iluminação automática das lâmpadas de rua que identificam quando escurece, do mecanismo que impede o fechamento da porta do elevador quando há alguém no caminho e até mesmo do teste do bafômetro.

Depois de descobrir a relatividade geral, Albert Einstein publicou sua teoria de emissão estimulada, na qual se baseia a tecnologia de dispositivos a laser, destacada por Ducati: “seus trabalhos sobre radiação estimulada foram importantes para o desenvolvimento dos lasers”. Essa tecnologia é usada em atividades rotineiras, como a leitura de código de barras, bem como em procedimento cirúrgicos delicados e processos industriais de alta precisão. Em 1970, foram observadas as semelhanças entre o movimento browniano e as flutuações do mercado de ações. A partir daí, as equações de Einstein foram adotadas também por Wall Street, o coração do Distrito Financeiro de Novo Iorque, onde está localizada a bolsa de valores.

Museu de Ciência e Tecnologia da PUCRS: a física na prática

Albert Einstein sempre foi um defensor do fazer científico e, se estivesse presente para as comemorações de seus 140 anos, incentivaria práticas que estimulem o desenvolvimento científico humano de forma criativa e inovadora. O Museu de Ciência e Tecnologia da PUCRS (MCT) é um desses espaços. Localizado em Porto Alegre, o MCT tem como missão difundir o conhecimento e despertar a curiosidade e o gosto pelas ciências. Tendo a física como um de seus pilares, o museu valoriza a participação do visitante que, ao se envolver em experiências lúdicas e inusitadas, torna-se protagonista de seu próprio aprendizado. Einstein e suas descobertas atravessam os experimentos expostos no MCT em áreas como a dedicada aos estudos de Fluidos, no 3º andar do prédio 40 do campus da universidade, localizada na Av. Ipiranga.

Confira algumas das experiências oferecidas pelo Museu de Ciência e Tecnologia da PUCRS:

– Esfera de Plasma: Estado da matéria que forma o Sol e qualquer outras estrelas, o plasma é difícil de se obter, pois na Terra está presente somente em auroras austrais e boreais, em alguns aparelhos de televisão, em equipamentos para corte de metais e em experiências como a do MCT.

– Não deixe a bola cair: Assim como a água, o ar também apresenta empuxo, – força que atua no sentido oposto à gravidade. Por isso você pode boiar na água e algumas coisas conseguem flutuar no ar. Essa experiência da exposição “Fluidos” mostra como o empuxo atua.

– No Mundo da Lua: Na Luz, a aceleração gravitacional é seis vezes menor que a da Terra, por isso o esforço para um pequeno passo pode resultar em um grande salto. Que tal experimentar essa sensação?

– Giroscópio humano: Essa é para se sentir um cientista da Nasa. O MCT disponibiliza a versão de um equipamento criado pela Nasa para treinamento dos astronautas do Projeto Mercury que simula as condições de mobilidade encontradas no espaço.