Fronteiras da Física: A Busca pela Unificação da Física Parte 1

Eu não consigo me recordar ao certo quando que passei a me interessar pela física. O que eu me lembro é que desde pequeno eu observava o céu, pensando no que existia além das estrelas. Talvez tenha sido nesse momento que eu recebi uma missão: buscar uma resposta para as questões do universo.

Chegou um tempo em que me encontrei em um caminho novo para mim, mas não estava sozinho nesse caminho. Eu estava começando a fazer parte de um mundo, ou uma realidade, governada por números e equações (e olha que eu nunca fui muito bom em matemática). Minha vida estava mudando, e eu tinha desejo de poder descrever a realidade em uma equação. E esse era o desejo, e ainda é, de muitos físicos e matemáticos. E se você, alguma vez olhou para o céu e se questionou a respeito de nossa posição nesse vasto universo, abra a sua mente e se prepare para ir além das fronteiras da física!

Os povos antigos observaram os céus e buscavam entender o que eram aqueles pontos luminosos. Para os gregos, as estrelas eram buracos no céu, e seu brilho era ocasionado por um fogo místico. Mas, mitologias a parte, os gregos observaram os céus por muito tempo e notaram que algumas estrelas tinham um movimento diferente das demais. Essas estrelas se moviam de oeste par leste, paravam e depois se moviam de leste para oeste em um movimento retrógrado. Os gregos chamaram essas estrelas errantes de planetos, e o que eles estavam observando eram os cinco planetas mais próximos.

Porém, não foram apenas os planetas que os gregos tentaram entender. A composição da matéria também passou a ser pensada. Aristóteles acreditava que tudo era formado por quatro elementos básicos, enquanto Platão dizia que esse mundo era uma cópia imperfeita de um mundo perfeito. Porém, foram dois pensadores que deram a noção de um átomo. Por volta de 450 a.C., Leucipo e Demócrito acreditavam que tudo no universo era formado por pequenas partículas indivisíveis. Eles diziam que se pegarmos qualquer coisa e formos dividindo-a em pedaços cada vez menores, chegaremos ao menor pedaço de matéria que existe, o átomo (de grego “indivisível”).

Nossa percepção mudou muito a respeito do universo, embora ainda saibamos muito pouco a respeito do mesmo. Para termos uma noção de como o nosso pensamento mudou, vamos analisar como éramos vistos no universo. No segundo século depois de Cristo, as pessoas sustentavam a idéia de Ptolomeu, na qual a Terra era o centro do universo. Esse modelo era bem visto pela Igreja, pois nos colocavam no centro da criação divina. Mas mesmo sendo defendido pela Igreja, o modelo geocêntrico iria ser ignorado por alguns.

Modelo geocêntrico de Ptolomeu

Um servo da Igreja chamado Nicolau Copérnico se interessou pelos estudos de Ptolomeu, mas decidiu fazer alguns ajustes no antigo modelo. Copérnico percebeu que o movimento celeste seria melhor explicado se a Terra deixasse de ser o centro do universo e desse lugar ao Sol. Nem é preciso dizer que o novo modelo não agradou ao clero. Mas o modelo heliocêntrico iria ganhar reforço com dois astrônomos: Johannes Kepler e Galileu Galilei.

Kepler mostrou que o movimento dos planetas em torno do Sol ocorre de uma forma elíptica, e não um círculo perfeito. Mas Kepler desconhecia a causa desses movimentos. Podemos dizer que o modelo geocêntrico entrou em “xeque” com Galileu. Foi ele quem publicou os escritos de Copérnico para que todos lessem e apresentou idéias que mostravam que não éramos o centro do universo. Por essas razões, Galileu foi condenado a permanecer em prisão domiciliar nos últimos anos de sua vida. Mas é preciso entender o que Galileu mostrou para o mundo. Enquanto fazia seus estudos, Galileu soube a respeito de um brinquedo novo que havia chego da Holanda aos mercados. Esse brinquedo aumentava as coisas quando se olhava por ele. O brinquedo tornou-se uma ferramenta de estudos nas mãos de Galileu. Ele foi o primeiro a apontar o telescópio para o céu, e ficou fascinando quando observou Júpiter. O que Galileu viu foram quatro corpos, luas, orbitando em torno do gigante gasoso. Isso mostrou que nem todos os corpos giram em torno da Terra. Mostrou também que a Terra viaja pelo espaço, em torno do Sol, e não caímos dela porque ela nos leva consigo.

Mas a causa do movimento dos planetas ainda era um mistério. No ano da morte de Galileu nasceu um dos maiores gênios da matemática. Isaac Newton foi o primeiro a compreender a causa do movimento dos planetas. Dizem que Newton descobriu essa causa observando uma maçã caindo de sua árvore. Ele mostrou que a mesma força que atrai a maçã e todas as coisas para baixo, é a mesma força que faz com que os planetas girem em torno do Sol. Os planetas permaneceriam em suas órbitas até que uma força externa agisse sobre eles. Essa explicação tornou-se uma lei, pois agia em todos os corpos do universo. Essa era a lei da gravitação universal!

Outros dois tipos de força vieram a ser estudadas tempos depois. A força elétrica e a força magnética. Até então acreditava-se que as duas forças eram independentes entre si, mas não são. Se um raio cai em determinado ponto, um campo magnético será criado, e isso pode ser observado com uma bússola. Foi James Clerk Maxwell quem unificou a eletricidade ao magnetismo. Maxwell mostrou matematicamente que o mesmo campo que transporta a força elétrica também transporta a força magnética. Essas duas forças são aspectos inseparáveis da mesma força. A força ficou sendo chamada de força eletromagnética, e o campo de campo eletromagnético.

As pessoas já sabiam que a luz não tinha uma velocidade infinita, se a velocidade fosse infinita observaríamos, por exemplo, eclipses em Júpiter ocorrendo em tempo real. A primeira medição da velocidade da luz foi feita em 1676 pelo dinamarquês Ole Christensen Roemer. A velocidade que Roemer atribuiu a luz foi de 225.000 quilômetros por segundo. Maxwell previu, em suas equações, que existiam distúrbios iguais a ondas no campo eletromagnético e essas ondas se deslocavam a uma velocidade fixa. Ao medir essa velocidade, Maxwell chegou a atual velocidade da luz: aproximadamente 300.000 quilômetros por segundo.

Mas isso estaria de acordo com o universo newtoniano?

Imagine que você esteja jogando ping-pong dentro de um trem. A bolinha se movimenta numa velocidade de 10 quilômetros por hora, e é essa velocidade quem você ira medir. Mas uma pessoa que está na plataforma e vê o trem passar por ela a uma velocidade de 90 quilômetros por hora vai dizer que a velocidade da bolinha é de 100 quilômetros por hora, pois foram somadas as velocidades do trem e da bolinha. Qual é a medição correta? Para Newton, as duas medições são corretas. Se você se deslocar em um sentido contrario a de um objeto que vem em sua direção, o mesmo vai parecer estar mais rápido que sua velocidade normal. Ocorreu uma soma de velocidades do observador e do objeto. Como as leis da física são sempre as mesmas no universo, o mesmo deveria ocorrer com a luz. Para conciliar a teoria de Maxwell com as idéias de Newton, os físicos propuseram que o espaço era preenchido com uma substancia invisível chamada éter.

Duas idéias existiam a respeito do éter. Uma delas é que se a luz é uma onda, ela precisa de um meio para se propagar, assim como as ondas do mar precisam da água e o som precisa do ar. A outra idéia está relacionada a soma das velocidades. Para Newton se você deslocar na mesma direção que a luz no éter, a velocidade da mesma irá parecer menor, enquanto se você se dirigir na direção contraria a fonte de luz, a velocidade da luz será maior.

No ano de 1887, Albert Michelson e Edward Morley realizaram um complicado experimento para detectar o éter. O experimento de Michelson-Morley mediu a velocidade da luz vinda em direção a Terra em relação ao éter, e eles constataram que a velocidade era sempre a mesma, não importando se estaríamos indo na mesma direção que a fonte de luz. Se realmente existisse um éter, a luz iria vir até nós com velocidades diferentes. Não houve detecção do éter. Varias foram as tentativas de salvar a idéia da existência de um éter, mas um artigo de 1905, de um desconhecido funcionário do escritório de patentes da Suíça mudaria nossa forma de ver o universo!