segunda-feira, 3 de setembro de 2012
A Última Cartada de Einstein
Você tem bastante familiaridade com três estados da matéria:
líquido, sólido e gasoso.
Você ainda não se acostumou direito com a existência do quarto estado, mas ele já está identificado pela ciência desde a
década de 50.
É o plasma.
Um exemplo?
O Sol, que é uma bola de plasma.
Pois,
pesquisadores norte-americanos encontraram o quinto estado da matéria.
Eles conseguiram imobilizar, por bilionésimos de segundo, 2 000 átomos de
rubídio.
Assim, imóveis, os átomos entraram no quinto estado.
Lendo esta reportagem, você vai entender o que é isso.
Mas o físico alemão Albert Einstein, morto em 1955, já havia definido esse estado em teoria.
Isso em 1925!
Das grandes idéias lançadas pelo gênio, era a única que ainda não tinha
sido demonstrada.
Agora, passados mais de 70 anos, está provado:
Einstein estava certo.
Por Flávio Dieguez
Até o século XIX,
era muito simples.
Os
estados da matéria eram três: sólido, líquido e gasoso.
No século XX,
surgiram dois outros.
O quarto, chamado de plasma, não causou grande sensação porque era
relativamente simples.
Lembrava um gás
muito quente, no qual o calor havia desmanchado todos os átomos, separando os
seus núcleos dos elétrons que os cercam.
O resultado era um
gás de núcleos e elétrons, em vez de átomos inteiros como nos gases comuns.
O Sol e todas as
outras estrelas são assim, grandes
esferas de plasma.
A descoberta do
quinto estado, em contrapartida,
foi um anúncio revolucionário.
O mundo soube de
sua existência num texto publicado por Einstein em 1925.
Com esse trabalho, Einstein fechou com chave de ouro uma investigação cujo resultado
final tornava iguais a matéria comum, composta por átomos, e a luz, que até a
virada do século era apenas um enigma.
Em poucas palavras,
Einstein disse que, em certas condições, a matéria comum
poderia se comportar como a luz.
Essa previsão foi
demonstrada em laboratório somente agora — uma proeza de dois físicos
americanos, Carl Wieman, da Universidade do Colorado, e Eric Cornell, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, também no
estado do Colorado.
Eles tiveram de
criar um frio extremo, uma das situações em que o quinto estado surge.
Usando uma
minúscula amostra de apenas 2 000 átomos de rubídio, um metal prateado sem uso
comercial, bateram todos os recordes de resfriamento.
Quase alcançaram o
zero absoluto, que corresponde a 273 graus Celsius abaixo de zero.
Se a marca fosse
atingida, os átomos estariam totalmente parados.
Mas, embora seja
impossível atingir o zero absoluto, o rubídio chegou muito,
muito perto: ficou apenas 150 bilionésimos de grau acima da
imobilidade total.
Então, foi como se os
átomos se desmanchassem, porque deixaram de agir como partículas e adotaram o
comportamento de uma onda luminosa.
Não é que aquele
conjunto de átomos "vire" luz.
É que ele passa a
se comportar como se fosse um feixe de luz.
Para entender esse
fenômeno, é importante mergulhar num dos
fascinantes conceitos da Física moderna.
Ela define o átomo
não apenas como partícula, mas também como onda.
Que diabo de onda é essa?
É simples.
Átomos estão
permanentemente em movimento.
Sempre.
A questão é saber
que trajetória ele descreve, a posição exata em que ele se encontra a cada
instante, e a que velocidade ele se desloca.
Na busca dessas
respostas, os físicos perceberam que podiam apontar as velocidades e as
posições dos átomos por meio de equações matemáticas usadas para descrever as
trajetórias de ondas comuns como a do som.
Essas ondas davam a
probabilidade de as partículas, em cada instante, ter uma certa velocidade ou
posição.
Em temperaturas
normais, ou aquecidas, os átomos se movem desordenadamente, e suas ondas são
bem complexas.
Como um corre-corre
em praça pública.
É o que se vê em
todos os outros estados da matéria.
Um corre-corre em
maior ou menor grau.
Mas, com o intenso
resfriamento e a conseqüente lentidão dos movimentos,
o que se verificou
é que aqueles 2 000 átomos de rubídio ficaram cada vez mais comportados.
Suas ondas
cresceram muito, e aí se juntaram, formando um grande e único vagalhão.
Bem de acordo com a
teoria de Einstein.
Essa união é que
produz o quinto estado da matéria: um concentrado de átomos marcando passo em ordem unida.
"É como se fosse um só átomo, um átomo
gigante", disse Eric Cornell à SUPER.
"Não há nada parecido em nenhum lugar do
Universo conhecido"
Com a sua
experiência bem-sucedida, Cornell e Wieman estão abrindo as
comportas de tecnologias que hoje nem podemos imaginar.
De que tipo de matéria seria feita a luz?
No século passado
se imaginava que ela fosse uma onda e ponto.
O problema é que
ondas não são uma coisa, mas o movimento dessa coisa.
Pense nas ondas do
mar, que são um movimento da água, ou no som, que é um movimento do ar.
A luz, então, teria
de ser obrigatoriamente o movimento de uma substância hipotética, imaginada
apenas para justificar o conceito de que a luz era uma onda.
A essa substância
foi dado o nome de éter (para
os gregos, o éter designava a "quintessência",
substância que não era água, nem terra, nem ar e nem fogo.)
No começo do século
XX, viu-se que a luz
existia também no vácuo.
Problema de novo: no vácuo não havia nada que uma onda pudesse
balançar.
É por isso, aliás,
que as ondas de som não se propagam no vácuo.
O conceito de éter
também encalhou porque ninguém conseguia detectá-lo.
Foi então que Einstein entrou em cena.
Em 1905 ele mostrou que a luz tinha um caráter ambíguo.
Ela agia como uma
estranha onda.
Mas em outras
circunstâncias deixava ver que era feita de algum tipo de átomo, mais tarde
chamado de fóton.
Vinte anos adiante, Einstein afirmaria também o oposto: que um gás comum pode se comportar como uma
onda luminosa quando atinge o quinto estado.
O pontapé inicial
para descobrir que a luz é composta de átomos foi dado,
sem querer, pelo
alemão Max Planck, em 1900.
A questão era a seguinte: se um raio de luz é decomposto em cores, cada
cor carrega uma parte da energia original do raio.
Exemplo: a 5 000 graus Celsius, a temperatura da superfície do Sol, a
maior parte da energia fica com o amarelo.
Por isso, ele é
amarelo.
Planck queria uma fórmula para explicar essa
distribuição da energia.
Inicialmente, bateu
cabeça tratando a luz como uma onda.
Não chegou a lugar
nenhum.
Afinal, resolveu
repartir a energia da luz em pequenos pacotes (cada
pacote recebeu o nome de quantum), como se fossem minúsculas partículas, e matou a charada.
Ou melhor: começou a matá-la.
Planck, é bom deixar claro, não sabia bem o que estava
fazendo.
A repartição da luz
em pacotes (os
quanta) foi quase um ato de
desespero,
como descreveriam
depois os alemães Jagdish Mehra e Helmut Rechenberg,
historiadores da
ciência.
Coube a Einstein sugerir a hipótese de que a luz era composta por algum tipo
de átomo.
Isto é, que ela não
tinha uma estrutura contínua como acontece com as ondas comuns — mas tinha uma estrutura composta de
partícula.
O trocadilho é
irresistível: foi uma idéia luminosa.
O fóton, nome dado
ao átomo de luz, tem várias propriedades em comum com os átomos de matéria.
O que dá para a luz
o aspecto de onda (e este é o ponto genial) é o comportamento ondulatório dos fótons.
As ondas do mar
movimentam os átomos da água.
As ondas de som
movimentam os átomos do ar.
A luz, não: ela não movimenta os átomos dos outros, mas constitui-se das
ondulações dos seus próprios átomos.
Ou seja: os átomos
também se movimentam como ondas.
Da noite para o
dia, Einstein se afirmou, junto com Planck, como fundador da
mecânica quântica, um ramo da Física que se desenvolveu a partir dos quanta.
Daí para a frente,
os fótons viraram a coqueluche da pesquisa de ponta.
Graças a eles, descobriu-se que os elétrons giram em torno dos
átomos, um feito
extraordinário do dinamarquês Niels
Bohr em 1911.
Em 1925, o francês Louis de Broglie empregou-os para
deduzir fórmulas mais precisas das ondas de matéria.
Einstein, porém, não aceitava os rumos que sua própria
invenção estava tomando nas mãos de outros pesquisadores.
E se dedicou
integralmente a aprimorar sua teoria da relatividade.
A descoberta do
quinto estado da matéria não foi exatamente um motivo de alegria para Albert
Einstein.
Sua reação foi
fria.
O físico e
historiador da ciência americano Abraham Pais, em seu livro Sutil é o senhor, lançado este ano no Brasil,
cita uma carta em que Einstein fala do quinto estado:
"A teoria é bonita, mas será que contém alguma
verdade?"
Sua dúvida se
referia ao método que havia utilizado, o cálculo das probabilidades.
O que se fazia, já
antes de Einstein, era mais ou menos o seguinte: em vez de
procurar saber que velocidade tinha um determinado átomo dentro de um gás — um
desafio perfeitamente impossível de se vencer —, os pesquisadores lançavam mão
das probabilidades para saber qual era a velocidade média do conjunto todo.
Ou, no máximo,
quantos átomos (aproximadamente) dentro daquele conjunto tinham uma certa velocidade.
Einstein retomou esse método, ampliou-o para outras
aplicações e se tornou um mestre incontestável nos anos seguintes.
Mas ele achava que
era apenas um recurso útil, na falta de uma teoria precisa e consistente.
O caminho aberto
por Einstein no campo das probabilidades possibilitou a
criação da mecânica quântica, uma das duas principais vertentes da Física
contemporânea.
Depois, ela tomou
caminhos que sofreram restrições de Einstein, mas ele
reconhecia sem discutir que ela funcionava esplendidamente.
Mesmo porque muitas
idéias contidas nela tinham vindo da sua outra teoria,
a da relatividade.
A contribuição mais
conhecida da relatividade à mecânica quântica é a equação E =
mc2, na qual E representa a energia, m é a massa e c é a velocidade da luz (que aparece ao quadrado na fórmula).
Significa o seguinte: se você esquentar um bloco de ferro, ele fica
mais pesado, porque a energia do calor se transforma em massa.
Com a equação dá
para calcular o aumento do peso do ferro: menos de 1 bilionésimo de grama, se a temperatura subir 100
graus.
Aqui a diferença é
desprezível, mas numa bomba atômica é a massa que vira energia, e o resultado é uma explosão avassaladora.
Da mesma forma que
a mecânica quântica, a relatividade também nasceu das pesquisas sobre a luz no
século passado.
Só que, nesse caso,
o ponto de partida não foi a estrutura atômica da luz e sim a sua velocidade, que
é diferente da velocidade de qualquer outra coisa no Universo.
Começando do começo: imagine dois homens atirando uma pedra a 20
quilômetros por hora em um mesmo alvo.
Agora imagine que
um dos homens está parado e o outro está dentro de um carro (ele atira a pedra no exato momento em que
passa pelo homem parado).
Que pedra chega primeiro ao alvo?
Claro: a que foi atirada pelo homem de dentro do automóvel, porque
a velocidade da pedra se soma à do carro.
Se o carro estiver
a 80 quilômetros por hora, não é difícil perceber que a pedra correrá para o
alvo a 100 quilômetros por hora, vencendo facilmente a corrida.
Agora imagine que,
em vez de atirar uma pedra, os homens acendem seus faróis na direção do alvo.
Os dois acendem
seus faróis no mesmo instante, a distâncias idênticas.
E aí vem o paradoxo: a luz do farol em movimento chega lá
exatamente ao mesmo tempo que a luz do farol que está parado.
Dezenas de
experiências, no século passado, confirmaram esse fato,
deixando os físicos
sem saber o que fazer.
Einstein teve a sabedoria de aceitar esse comportamento
singular da luz e investigar as enormes conseqüências que ele teria para a
Física.
Uma das mais
estranhas conclusões a que ele chegou a é a de que o tempo passa mais devagar
em um relógio em movimento, comparado a um relógio parado.
Na década passada,
o mundo foi surpreendido por uma descoberta sensacional a respeito de um
fenômeno conhecido desde o início do século.
Em condições de
frio extremo, de menos 270 graus Celsius, os metais podem se tornar supercondutores:
significa que deixam passar eletricidade sem oferecer nenhuma resistência.
A corrente elétrica
fica ali para sempre, até ser usada por alguém.
Mas, devido à
dificuldade de se reduzir a temperatura na medida adequada,
a
supercondutividade recebeu pouca atenção.
Foi então que em 1986 os cientistas viram a eletricidade correr sem
resistência numa pastilha de cerâmica a uma temperatura de menos 250 graus, e
agora já é possível construir supercondutores em condições "tórridas", perto de zero grau.
E não é só isso: alguns pesquisadores acreditam que uma coisa
está ligada à outra.
Isto é, dentro dos
supercondutores pode haver átomos dançando em uníssono como aqueles que estão
no quinto estado da matéria..
O mesmo se pode
dizer da superfluidez, situação em que um líquido sob frio severo começa a
fazer coisas esquisitas.
Como subir por
conta própria pelas paredes do recipiente em que está. Existem mesmo
especulações de que o quinto estado, apesar de já não existir no Universo, pode
ter tido uma breve existência nos primeiros bilionésimos de segundo do Big Bang
(a
explosão que teria dado origem ao Universo).
Claro, tudo isso
são conjecturas, especulações.
Por enquanto, a
tarefa número 1 dos físicos é procurar repetir e, se possível, melhorar a
experiência dos americanos Eric
Cornell e Carl Wieman.
Já existem doze
equipes em vários países prontas para isso, conta o físico americano Gary Taubes.
"E muitos outros devem entrar no páreo
rapidamente".
Há pelo menos uma
inovação já em vista: descobrir que cara
tem o quinto estado.
Tudo depende de
como os átomos nessas circunstâncias vão interagir com a luz.
As apostas variam
bastante.
Eles podem se
tornar opacos a ponto de dar ao conjunto um tom negro profundo.
Ou podem refletir
um brilho de prata.
O próprio Wieman vai recriar o quinto estado e, antes de ele se desfazer,
iluminá-lo com um
pulso ultra-rápido de laser, para ver sua cor.
É o começo da
corrida para ver no que vai dar a última cartada do gênio alemão.
Cada uma de suas
cartadas mudou conceitos e até a nossa capacidade de imaginar aonde é que o
conhecimento humano pode chegar.
Em 1905, ele havia feito apenas a primeira parte da
teoria da relatividade,
na qual analisava o
movimento de átomos e estrelas, e já causou uma reviravolta.
Mas deixava de fora um ponto essencial: as forças responsáveis por aqueles movimentos.
Em 1916, outra
reviravolta: depois de passar
muitos anos matutando, achou um meio de investigar a força da gravidade.
Justamente a mais
importante de todas.
Como está presente
em toda parte, é ela que governa o movimento e a forma dos planetas, estrelas,
galáxias e aglomerados de galáxias.
Por isso, ao incorporar a força gravitacional,
a teoria da relatividade deu ao homem o meio de estudar a evolução do Universo
a partir do Big Bang.
A relatividade também foi capaz de prever a
existência de astros totalmente diferentes de todos os outros: buracos negros, tão densos que nem a luz pode escapar à sua imensa
força gravitacional
(veja o infográfico).
A comprovação do quinto estado da matéria
começa uma outra reviravolta.
Nem um pouco menor do que as outras.
Irene Ibelli
Empreendedora Digital, Humanista e
Espiritualista
Eleita Cidadã Planetária Pelo Projeto
Vôo da Águia
