A HISTORIA DA
FÍSICA
Dafilosofia ao enigma da matéria negra
A HISTÓRIA DA
FÍSICA Anne Rooney
^ Í B ooks M.Books do Brasil Editora Ltda. Rua Jor ge America no, 61 - Alto da Lap a 05083-130 - São Paulo - SP - Telefones: (11) 3645-0409/(11) 3645-0410 Fax: (1 1) 3832-0335 - e-mail:
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Dados de Catal ogação da Publi cação
ROONEY, Anne - A Históriada Física 2013 - São Paulo - M.Books do Bra sil EditoraLtda. 1. História 2. História da Física 3. HistóriaGeral ISBN: 978-85-7680-217-4
Do srcina l: The Story of Phys ics Original publicado por Arcturus Publishing Limited ISBN original: 978 -1-84837-796-1
© 2011 Arcturus Publishing Limited © 2013 M.Books do Bra sil Editora Ltd a.
Editor: Milt on Mira edAssumpção Filho Traduçã o: Maria úci L a Rosa Produçã o Editorial: Bea trizSimõesAraújo Coordenaçã o Gráfica: Silas Cam argo Editoração: Crontec
2013 M.Books do Bra sil Editora Ltda. Proibida areproduçã o total ouparcia l. Os infratores se rão punido s naforma da lei. Direitos exclusivos cedidos à M.Books do Br asil Editora Ltda.
Para o meu pai, Ron Ro oney, que me introduz iu às m aravilhas da ciê ncia. Felizaniversário de 80 anos - e obrigada .
Agradecimentos
n Cuthbert, por sua Com agrade cimentoespe cial ao .DAdria experiência em Física, a Mary H offman, Shah Hussain,Sue cífico, mas não Frewe Jacqui M cCary peloapoiomenos espe e e paciente menos essencial. Agradeçotambémao meu tolerant editor, N igel Ma theson.
Sumário ..7
Agradecimentos
INTRODUÇÃO O livro do universo
...............................
O nascimento da Física ............................... Do empirismo ao experimento ...................
16
16 18
A revolução científica ..................................
20
Sociedades científicas ..................................
21
A melhor ferramenta científica - o cérebro
23
CAPÍTULO 1 A mente s e sobr epõe à m até ria
............
25
O primeiro físico? .........................................
26
As sementes da matéria.......................
.26
A mente animando a matéria.............
.26
Tudo se transforma..............................
.28
Partes indivisíveis.................................
.28
Coisas e não coisas..............................
.29
Matéria atômica e elementar..........
30
Quatro - ou cinco - elementos
.30
SUMÁRIO
■
M-M-Mudanças ........................................................................... 31 Atomismo indiano........................................................................ 32 Atomismo islâmico ........................................................................ 33 Dos átomos aos corpúsculos........................................................34 Dos cospúsculos de volta para os átomos...................................35 A idade da Razão.......................................................................... 35 O nascimento da física do estado sólido ............................................36 Átomos e elementos ............................................................................. 39 Tudo em proporção......................................................................40 Átomos - verdadeiro ou falso?.....................................................42 Os átomos são divisíveis?............................................................. 43
CAPÍTULO 2
Fa ze nd o a luz tr a b a lh a r - Ó p t ic a .........................................4 5 Uma olhada na luz ............................................................................... 46 Brincando com a luz.....................................................................47 A luz de Deus................................................................................48 Saindo do escuro..................................................................................51 Por meio de um vidro translúcido..............................................53 Pressão no éter............................................................................. 53 O senhor da luz: Isaac Newton....................................................54 Micrografia de Hooke...................................................................56 Onda ou partícula?.......................................................................57 Frentes de onda e quanta .................................................................... 58 O experimento de dois orifícios de Young .................................61 Uma nova aurora - a radiação eletrom agnética ................................61
10
SUMÁRIO
O fim de um éter: o experimento de Mich elson-Morley.............62 Com a velocidade da luz ................................
..............................67
Objetivo e verdadeiro.............................
.70
O lugar da luz no espectro EMR............
.71
CAPITULO 3
M assa em m
ovimen to - Mecâ ni ca .
.73
Mecânica em ação............................
. 74
A mecânica dos gregos antigos
.75
O problema da dinâmica................. O experimento do túnel ...........
. 77 .79
O verdadeiro nascimento da mecânica clássica ................................80 O experimento da bola de Galileu...........L...................................81 Parar e começar ........................................
84
O mestre fala .............................................
85
Movimento e gravidade............................
85
O universo como campo de testes...............................................85 Ar e água ............................................................ Da água para o mercúrio.......................... Dinâmica dos fluidos ................................. Juntando fluidos e massa...........................
86 88 88 89
Coloca ndo a mecânica parafuncionar ...............................................89 Colocando a mecânica newtoniana em uma nova posição........90 Inércia e gravidade vêm juntas....................................................91 .91 Grande e pequeno
11
CAPÍTULO 4
E n e r g ia c a m p o s e fo r ç a s ......................................................93 A conserv ação de ener gia...................................................................... 94 Inventando a "energia"................................................................. 94 Lutando com o fogo ......................................................................95 Te rm od inâ mica .......................................................................................98 As leis da termodinâmica.............................................................100 Zero absoluto............................................................................... 103 Calor e luz ............................................................................................. 103 Radiação do corpo negro e quanta de energia...........................104 Outras formas de energia............................................................105 Descobrindo a eletricidade..................................................................106 Pipas e trovões............................................................................. 107 Eletricidade na moda...................................................................108 Pondo a eletricidade para funcionar...........................................109 Esperando nos bastidores: magnetismo.....................................110 Eletromag netismo - o casamento da eletricidade com o mag netismo.......................................................................................... 111 Alvorada de uma nova era magnética.........................................112 Mais onda s............................................................................................ 114 Radiação.......................................................................................116 Procuram-se - átomo s .................................................................119
CAPÍTULO 5
Dentr o do átom o
......
Dissecando o átomo Pudins de passas e sistemas solares
12
121 122
.122
O modelo saturnino ................................ J................................... 124 Quantum solace ............................................... f...................................126 Luz inteligente.........................................i ................................... 127 Outro momento newtoniano .................1................................... 129 Onda ou partícula?..................................j ................................... 130 Podemos estar certos?.............................1................................... 133 A interpretação de Copenhagen.............j...................................134 Um gato em uma caixa...........................;...................................134 Muitos universos.....................................l ................................... 135 Embaralhamento quântico: o paradoxo Einstein-Podolsky-Rosen .. 135 A busca por mais partículas atômicas........................................ 137 Juntando tudo ........................................... .................................. 138 As coisas desm oronam .......................................................................139 Aproveitando a reação em cadeia .................. j...................................141 O fim do átomo clássico ..................................J..................................142 Matéria e antimatéria................................
144
Partículas fantasmas................................ J ................................... 145 A última partícula perdida.......................
147
Partículas das estrelas...............................
149
CAPÍTULO 6
Tentando
alcançar
as estre las
............. .............. ............... ..
151
Estrelas e pedras..................................................................................152 Primeiros observadores das estrelas............................................152 Da observação ao p en samento.......................................................... 154 Hiparco - o maior astrônomo da antiguidade?.........................155
13
SUMÁRIO
As esferas de Ptolomeu................................................................ 157 Para dentro e para fora da escuridão......................................... 158 Astronomia árabe.........................................................................158 A grande estrela convidada.........................................................162 A Terra se move - nov am ente ............................................................ 163 Tudo muda...................................................................................165 Johannes Kepler (1571 -1630) .....................................................167 Dois por um: os astrônomos em Praga......................................167 O invisível torna-se visível....................................................................169 Galileu, mestre do universo ................................................................1 71 Cruzando espadas com Deus ...........................................................172 Catalogando os cé us............................................................................174 Vendo cada vez mais ................................................................... 175 Longe, muito longe..............................................................................176 Colocando cometas em seu lugar....................................................176 O cometa Halley na história.............................................................178 Espectroscopia - uma nova maneira de ver..................................... 179 Examinando o vazio.....................................................................182 Listras das estrelas........................................................................184 A vida secreta das estrelas...................................................................185 Ouvindo o vazio...........................................................................186 Quasares - poderosos e remotos ................................................ 190 Para cima, para cima, e longe......................................................190
CAPÍTULO 7
Es paç o- te mpo c on tinuan do
............ .............. ............ .........
1 93
Uma breve história do tempo.............................................................194 14
SUMÁRIO
Amanhã e amanhã e amanhã ....................................................194 Unindo espaço e tempo ..........................L..................................196 Tudo é relativo......................................................................................196 Bem longe e há muito tempo..................
198
De volta ao início ...............................................................................199 Fora do caos................................................................................. 199 O universo moderno ...................................................................200 Do ovo cósmico ao Big Bang ..............................................................202 Quantas estrelas?.........................................................................204 O universo observável................................................................. 204 Quantos universos?.....................................................................205 Tudo montanha abaixo a partir daqui ........................................205
CAPÍTULO 8
Física para o futuro
.............. .............. ............ .............. .....
207
Descartando tudo e começando de novo ....!...................................208 Isto é tudo?..............................................
208
Energia escura.............................................................................. 209 Onde mais procurar pela matéria? ...................................................211 Separando o joio do trigo?..........................................................212
índice
............ ............ .............. ............ ............ ............ ......
214
15
INTRODUÇÃO
O LIVRO DO UNIVERSO
apena s 4% do univ erso,os outro s 96% sã o “O livro do U niverso nã o pod e ser . entendido semprimeirose apren der a um mistério a serrevelado compreend er o alfabeto que o com põe. Ele é es crito em linguage m matem ática, O nascimento da Física e se us caracteres são triângulos, círculosAntes do desenvolvimento do método ex e outras figuras geomé tricas,sem perime ntal, os prime iros cientistas ou - os as quais é humanam ente m i poss ível “filósofos naturais”, comomera cha mados entende r um a única palavra dela; sem eles, icaf se vagandomeum labirinto escuro.” Galil eu,
A
O Ensaiador , 1623
física é aciência unda f mental qne constitui a baseparatodas as ou tras, a ferramenta comqual a ex ploramos a rea lidade; isa v aexpli car como o universofuncio na, das galáxias às partículas suba tômicas. Mui tas de nossasdescobertas sobre o mundo físico represent am o auge da realizaçã o huma na. A H istória daFísica tra ça a trajetória das tentati vas dahumanidade em ler o li vro do universo, aprende ndo e usando a linguag em da ma temáti ca descrit a pelo cientist a renascentist a Galileu Galilei A galáxia de Andrômeda é a mais próxima de (15641642 ). Também ervela como nosso nossa Via Láctea: a física tenta explicar tudo, do conhecime nto é ínfimo - a físicatratade início dos tempos ao fim do universo.
INTRODUÇÃO
Ospadrões, formas e números que estruturam o mundo natural são assunto da física. - aplicara m a razão ao que viam em volta de les e cheg aram a teorias para xpl e icar u s as obser vações. Como os corpos celestesare pcem se m o ver pelo céu, por exem plo, muito s de noss os antecessores concluíram que aTerra stá e no en c tro do un iverso e tudo gira emtorno dela . Os poucos que pen savam diferentetinham de chegar bo a ns argu mentos para re futar a solução de senso co mum, e dura nte 200 0 anos eram min a oria,sendocausas dos fenômenos observados. Os gre muitas ve zes ridi culariz adosou me smo pergos ant igos são sa prim eiras pe ssoas que seguidos. conhece mos que tentara m subst ituir as Muitas super stições ecrença s reli giosas explicações místicas e supersticiosas por têm ra ízes naexplicação do mundo bser o outras,basea das naobservaçã o e na ra zão. vado. O Sol nasce porque atravessa o céu A primeira pessoa a tentar explicar o mun por um conduto r sobrena tural, po r exem do natural sem recorrer àcrençareligiosa plo. A ciência , por outro la do, esforça -se pode tersido Tales, ma s o primeiro cientis para enco ntrar averdadei ra naturez a e as ta verdadeiro talvez enha t sido o e pnsa dor
TALES DE MILETO (c. 624 a.C. - c. 546 a.C.)
A primeira pessoa que podemos chamar de cientista e filósofo viveu há mais de 2.500 anos no território onde atualmente temos a Turquia. Tales estudou no Egito e credita-se a ele a chegada da matemática e da astronomia à Grécia. Considerado um dos Sete Sábios da Gré cia Antiga, ele era reputado como dotado de uma inteligência extraordinária, podendo ter ensinado os filósofos Pitágoras e Anaximander. Tales sugeriu que existe uma causa física, e não sobrenatural, para todos os fenômenos noasmundo nos rodeia, Como e assim começou buscar as causas físicas que determinam como coisas que se comportam. nenhum de a seus escritos sobreviveu, é difícil avaliar sua verdadeira contribuição.
INTRODUÇÃO
grego Aristóteles (384-322 RACIOCÍNIO INDUTIVO E DEDUTIVO a.C.), que se apoiavatotal O raciocínio dedutivo é um método "de cima para baixo" mente no empirismo. Ele exemplificado na abordagem de Platão. O cientista ou fi acreditav a que pela obserlósofo constrói uma teoria, desenvolve uma hipótese para vação e a medição cuidado testá-la, faz observações e confirma (ou refuta) a hipótese. raciocínio indutivo começa com a observação do mun sas, ent endemo s as leis que O governa m todas a s coisas. do e prossegue para obter uma explicação, identificando-se um padrão para depois propor uma hipótese que o Aristóteles foi aluno de Pla explique, passando para uma teoria geral. Os métodos tão (c. 428347 a .C.) e seguiu de Aristóteles eram indutivos. O cientista Isaac Newton uma trajetória dedutiva (veja (1642-1727) e o raciocínio indutivo têm lugar no pensa o box),acreditando que ape mento científico. nas arazãonão bastava para permitir que a hu manidade desvenda sse osmistérios do universo.ris A Emboranão propusess e experimento s, tóteles acreditavano “ra ciocínio indutivo”, Aristóteles defendia a investigação completa ou seja, lógica a que funci onava apartir dade tudo que tinhasido escrito anteri ormen
obser ão do mundo. Ele iniciou ummé te sobre mu determ inadotópico (uma ná a todovaç científico. lise lit erária, em termos modernos), obser vação e medidas experimentais seguidas do empre go de racio cínio parase chegar uma a conclusão. Os gre gos o f ramos primeiro s a dividir a ciência me discipl inas diferentes. Agrande bibliotecana Alexand riaproduzi u o primei ro ca tálogo de biblioteca, que foi esse ncial para o tipode crítica li terária que Aris tóteles propôs como parte qualquer de
£aleõ
investigação. Do empirismo ao experimento
Com o fim od período helénico(o auge da civilização grega clássica), o uso do m étodo ci entífico paraenten der o m undo natural decli nou até o surgimento da ciência ár abe no século 7 d.C. O brilhanteIbn al-EIassan Ibn al-Haytham (965-1039) desenvolveu
Um retrato mediev al de Tales.
18
INTRODUÇÃO
"Eu prefiro encontrar a verdadeira causa de um fato a me tornar rei dos persas."
Demócrito (c. 450-c.370a.C), filósofo.
fosseuma fo rma de vasculhar osminho ca s de Deus e umatentativ a de violar os mist é rios sagrados.As ativ idade s queum cient ista muçulma no fervoroso (ou pru dente) po de ria desenvo lver eram restrit as. O entusias
mo pelo ra t balhocientí fico que foraabafado is do Islã depois seria um procedimento pare cido ao método expelos filósofos natura retomado pelo s estu diosos medieva is da Eu perimental moderno. ã. Ele começ ava peloenuncia do de um proropa crist blema , depois testa va suahipótese por meio A ciência árabe e os trabalhos de Aris tóteles fluíram para a Europa traduzidos de experimentos, interpretava ossultados re i o da Idade Média. Os e cheg ava auma conclusão. Ele adot ou umapara o latim noníci escrito res da Rena scenç a do sécu lo XII atitude cética questio e nadora, e reconhecia m todo cientí fico a necessi dade de um sistema demedid as ecomeçaram a integrar o é embrio nário em seus estud os e acultivá-lo, investigação controlado rigorosamente. ício não desa fiara m as autorida Outros ci entistasraábes co ntribuíram para mas no in isso. bu han 973 ( -1048)tendenci tinha des clás s.CO fre i foi francisca r Ba (c.sica 121 0.129 2) um no d os Roge primeiros ciênci aA deRay que osal-Biruni reros e noções o con s dos an sas podiam se r causados por inst rumento s a duvidar daaceitação dos escrito tigos sem que este s fossem questio nados,e impreciso s ou observad ores falhos. le E re as estabe lecid as fossem comendava ue q os experimento s fossemre defendia ques aidei ree xaminada s. Ele vi s a va parti cularmente petidos váriasvezes eos re sultados ossem f combi nados para a obtenção de um resul a Aristóteles, cujas ideiasm emuitas áreas tado confi ável. O médicoAl-Rahw i (85 1934) int roduziu o conceitoda revisão pura , sugerindo que os mé dicos docume ntasse m O MÉTODO CIENTÍFICO seus procedime ntos e os tornasse m disp oní O método científico empregado, de modo geral, hoje segue as seguintes etapas: veis para outros médicos de igual postura embora suaprincipal moti vaçã o fosseevitar a puniçã o pela m á prática. Geber (A buJabir, • Enunciado de um problema ou questão. Este pode ser então afunilado para algo 721-815) foio primeiro int a roduzir experi que possa estar sujeito a experimenta mentos cont rolados o n cam po da qu ímica, ção ou a um conjunto de experimentos. e Avicenna (Ibn Sina,c. 9801027) declarou• Enunciado de uma hipótese. que ainduçãoe a experi mentaçã o deveri am • Concepção de um experimento para testar a hipótese. O experimento deve formar sa bases dadeduçã o. Os cienti stas ser um teste adequado, com variáveis árabes valorizavam o consenso e tendi am a controladas (fixas) e uma variável inde descartar idei as ma rginais que não o f ssem pendente (a condição que será variada). • Execução do experimento, fazendo-se e apoiada s pelosoutros. registrando-se observações e medições. No enta nto, acontecimen tos no Islã a ca Análise dos dados. bara m prej udicandoas pesquisasosd cien •• Apresentação das conclusões, sendo es tistas árabes.Questi onar omundo pa ssou a tas submetidas à análise dos pares. servisto como uma blasf êmia, como se iss o
INTRODUÇÃO
eram ace itas como verdade bíblica, reco A revolução científica menda ndo queas conclusõ es de AristótelesEmboraBacon o f sseo primeiro a formu fosse m testa das. Sem dú vida, Aristóteles lar o método, uma bordag a em sem elhante aprov aria aaplicaçã o de métodos empíri cos à experime ntaçã o já tinha sidoadotada por para reaval iar e questio nar seus próprios Galileu. Galileu foi um grandeproponente escritos.Em suas investiga ções científ icas, do ra ciocínio indutiv o, perce bendo que a Bacon seguia como padrã o a formulação de evidência em pírica deum mundo comple uma hipótese co m base em observ ações xo e nunca correspo nderia purez à a da teoria. a execução de um experiment o para testarNão é possível evar l emconta todassavari á a hipótese . Ele repeti a seus experimen tos veis em um único experimento, ele afirma para se certif icar dosresu ltados e docu va. Por exemplo, ele acreditava que suas ex menta va se us método s meticulosame nte, periênc ias com gra a vidadenunca rem oviam de modo que eles pudessem ser n aalisadosos efeitos daresistência do ou ar do atrit o. por outros ci entistas. Ele cha mava aexperiEntretanto, padroni zar método s e medidas menta ção de “vexa ção da natur eza”. D izia: signif ica queum experime nto execu tado re “Aprendem os mais com a vexaçã o ardilo sa petidamente, talv ez por pe ssoa s diferentes, da naturez a do que oar fíamos pel a obser poderíaproduzir um conjunto deesultados r vação paciente”. a partir dos qu ais as concl usões gera is po Outro Ba con, o advoga do e filósofo n i deria m ser extrapolada s. Galileu acr editava glês Fra ncis Bacon (1561 -1626), propôsno mé todo experimentalpont a o de arriscar uma nova abordage m à ciênci a, a qua l pusuareputaçã o em uma de monstraçãoúb pli blicou em 1621 em Novum Organum Scien- ca para pr a esent ar um argument o em 161 1. tianim (O N ovo Organon da s Ciência s). Ele eum professor riv al emPisa discut iram Ele acredit ava queos re sultados de xpe e sobre como forma a de objetos do me smo rimento s pudes sem ajud ar a discernir eo t materiale,( port anto, com a mesm a densi rias co nflitantes e ajudarhumanidade a se adade ) afetava su a capacid ade deflutuar na aproximar daverdade. le E def endiao racio água. Galileu de safiou o prof essor a uma cínio induti vo como abase do Ba Dizem que Bacon teria morrido após conduzir um expe pensamento científico. con inst aurou o pro cesso de rimento para produzir o primeiro frango congelado em 1626. "Quando [o senhor Francis Bacon] estava tomando observação, experimentação, ar em uma carruagem na companhia do Dr. Witherborne análise e ra ciocínio induti (um médico), a caminho de Highgate, nevou, e meu se vo que é considerado com nhor pensou, 'por que a carne não poderia ser conservada frequência com o o iníc io do na neve, como no sal'. Eles decidiram tentar a experiên cia. Desceram da carruagem e foram até a casa de uma método científico moderno. mulher pobre na base de Highgate Hill, compraram um Seu méto do começacom um frango e fizeram a mulher tirar-lhe as tripas, então enche aspecto neg ativo - livrar a ram o corpo com neve, e meu senhor ajudou a fazer isso. mente ed “ídolos” ounoções A neve esfriou tanto seu corpo que ele adoeceu imediata preconcebida s - e evoluir mente... [Ele contraiu] uma gripe tão forte que em dois ou paraum a specto po sitivo que três dias, conforme lembro de Mr. Hobbes ter me dito, ele faleceu sufocado." envolva a exploraçã o, a expe john Aubrey, Brief Lives (Vidas Breves). rimentação e induçã a o. 20
INTRODUÇÃO
demonstra ção públ ica, di zendo que ele iria O Lincei foi uma aventura muito pes defenderos resultados do experimento ; o soal,e quando Cesi morreu em 30, 16 ele professor nã o aparece u. logo se dividiu.Foi sucedidopelaAcademia de Experimento em Florença , funda da em 1657 por dois exalunos de Galileu, Evan Sociedade s científi cas O interesseres c cente pe la ciênci a deu ori gelista Torrice lli (1608-1647) e Vincenzo gem a sociedade s científicas espa lhada s Viviani (1622-1703). Esta também durou , fecha ndo após dez an os em1667; na pela Europa apartir do século17. Estas pouco época o centro de dese n vo lvimento enci dera m encaminhamento a conversas, ex perimentações e o desenvolvimento cien tífico. A primeira de las foi a Accademia dei Lincei,forma da por Fede rico Cesi,um rico florentino com grande interesse pela ciência. Embora tivesse apena s 18 anos, Cesi acre ditava que os cienti stas deveriam estudar natureza a retamente, di em vez de se guia rem pela filosofia aristo télica. Os primeiro s membros daacademia viviam comunitariamente em aum casa de Cesi, onde ele lhes fornecia liv ros e u m labo ra tório totalme nte eq uipado. Os integrantes incluíam o fí sico holandê s Johannes Eck (1579-1630), o acadêmico taliano i Giam battista dell a Porta (c.1535-1615) e - o mais famoso- Galileu Galilei.No apo geu, a cademia a tin ha 32 m embros espa lhadospela Euro pa. A aca demia estabel eceu como seus objetivos em 1605 “adquiri r conhecimentode coisas e sabedoria... e aprese ntá-los pacificamente aos ho mens, sem qualquer prejuí zo”. Apesar disso, o grupo foi acus ado de mag ia negra,de se opor à doutrina daIgreja ede viver escandalosamente.
Robert Boyle quando jovem.
21
INTRODUÇÃO '
MICROGRAPHIA: O it SO M E
The olog ical Vefcriptí m
m i nut MAGNIFY
e ' bo dies ING
GLASSE
S
By R. HOOKE,Fr ilowoflhe R o m S o c u u
Micrografia, de Robert Hooke, revelou detalhes mínimos sobre a vida pela primeira vez.
da aprendizag em experime ntal ífsico-ma temática”. so dacomp e plane se semana lment eA cieda para ajava nharreunirexperi mentos ediscuti r tópicos científ icos, sen Não existe nenhum retrato contemporâneo de Robert Hooke. Havia um retrato dele naRoyal do Robert Elooke (1635 -1703) o primeiro Society em 7710, mas conjectura-se que Newcura dor deexper imentos. oN início apa ton o teria destruído. rentem ente em s nome, o no me The Ro yal Society aparece impresso pela primeira tífico mudo u-se daItália para aInglate rra, vez em 1661, e no Segundo Estatuto Real França, Alemanha , Bélgica ePaíses Ba ixos. de 1663 a Sociedadeé referida como “T he A maior das sociedades científicas foi a Royal Society of Lo ndon fo r Improving Royal Soci ety of L ondon (Socieda de Real Natura l Knowledg e” (A S ociedade Real de de Londres). Embora fundada oficialmente Londre s para o Aprimo ramento do Conhe em 16 60, suas origens estão emmau “facimen to Natural) . Foi a primeira “soci eda culdadeinvisível” de cientistase qu come de real” existente.Começou aadqui rir uma çara m a se nc e ontrar para discussõesbibliotec em a em 1661 e então um museu de torno de 1640. Em sua fundaçã o, havia 12 espécime s científ icos, e ainda tem slid es membros, entre eles o arquiteto inglês Sir microscópico s de Hooke. Depois de 16 62, Christopher Wren (1633-1723) e oa quí sociedade recebeu lvará a para publ icar mico irlandês Robert Boyle (1627-1691). livros, e um dos primeiros doi s título s foi O discursode abertura de Wren a flou em Micrographia, deHooke. Em 1665, a Royal fundar um a “faculdade para a promo ção Society lançou pri a meira ediçãode Philosophical Trans actions , agorao periódico im presso ma is antigo . "Galileu, talvez mais do que qualquer outra pessoa, foi A Royal Society seguiu-se rapi responsável pelo nascimento da ciência moderna." damente Académie a descieSnces Stephen Hawking, cosmologista inglês, 2009. em Paris , em 16 66. Os membros 22
INTRODUÇÃO
da Académie nã o precisav am ser cientistas, e, em ertoc mo mento, Napoleão Bonaparte foi pres idente . Grandes reali zações científicas tornaram-se rapidame nte m otivo de orgulho nacional eivalida r de internacio nal, principalmente pa ra a Re pública FrancesaaeFranç a de Napoleão. A melhor f err amenta cientí fi ca - o cérebro
Sem recurso s paraequipamen tos esem realizar e xperimento s, Aristó telesO pêndulo de Foucault no Panteão, Paris, forchegoua modelo s para anaturez a da ma téneceu uma demonstração contundente de que a ria e o comportam ento de corpos em dife Terra gira em torno de seu eixo. rentes condiçõ es que funcio navamde acor s que lev aria m vidas int eiras em um do com o qu e já se conhecia. oNinício docálculo sado não ão t distante. século XX, o físico Albert Einstein pas (1879Mas po r trás de todo s os ava nços na 1955) revo lucio nou aFísica ea visão cientí ciência,são a inventiv idade ea curio sidade fica do univ erso usando apena s caneta e pa reshuma nos queimpul sionamo pro pel. Assim com o Aristót eles, ele trabalhou dos se gresso, tantonas universidade s e labo rató a partir de observações do erso univ para quisa dehoje qua nto nas c aade desenvolver te orias,lidando com fenômerios de pes re daGréciaAntiga. nos quenão podiam na época seralment re e mias ao ar liv investiga dos por experimenta ção ou me smo por medição. Ao contrário de Aristóteles, no entanto, e seguindouma prática iciada in por eNwton em 1 687, Einstein ef z uso rigo roso da matemát ica pa ra a poiar seu s arg umento s e mostrar que usesistema funcionava com o quejá era conhecido. Ele fez pre visões que desde então ora f m corroboradas por obser vação e experimentação. Cálculos matemá ticos consideráveis geralmente são aplicá veis para testar um novo modelo em física nos di as atua is,vantagem e nesse se nsobre tidos os sicos modernos têm gera afí çõ es anterio res. A gora eles possue m computado res quelhes permit em execut ar rapidamente
Microscópio de Robert Hooke.
CAPÍTULO 1
A mente se sobrepõe
À MATÉRIA É difícil imagina r, quando se olha pa ra um objeto só lido, que ele é com postode muitas par tículas m inús culas e de uito m espa ço vazi o. E aind a mais estranho quando par amos par a pensar que s pr aóprias artí p cu lasasão mécontí esp aço atéria. m o que A ideia de quemuito aam téri nãoais nua,que e mesm la e contém espaçovazio - que éuma descr içãoadequada dateo ria atôm ica moder na -, foi sugerida pela primeira vez por volta de 2. 500 anos atr ás. Mesm o assim , a teo ria atôm ica só fo i aceita pe la ma ioria doscientistas há pouco mais de um século.Durante grande parte desse intervalo de tempo, o conceito foiesacre d di tado e até esm m o ridi culariz ado.
Céres e os Quatro Elementos,por Jan Brueghel o Velho, 1568-1625.
A MENTE SE SOBREPOE A MATERIA
O prim eiro fí sico? "Nada virá do nada." As origens da “filosofia natural” - ou da Rei Lear, Ato I, Cena 1 ciência , como a ha c mamos hoj e - prova velmente residem, como é comum na cul turaocidental, anAtena s antiga. A pri meira doce-azedo. Haveria sempre mesma a quan pessoa a quem podemos ed físNa ico étidade e d cada propriedadeontotal. As se Anaxágoras, que viveu no chamar século 5 a.C. principalmen te de matéria época, quando lógica a es tava inici ando,elementes seriam orgâ ni ca (sang ue, carne, casca , pele). tento u encaix ar umamiríade deobservações e os resultado s de exp erimento s emumaes Anaxágoras acreditava que qualquer i emente do trutura ló gica que lhe perm itisse entenderporçã e o de matéria, ndependent , continha todas s a explicar a naturez a do mundo.Anaxá goras quanto fosse pequena prop rieda d es (ou mater iais) po ssíveis.Isso busc ou umavisão do univ erso material em ifica qu e eladeve se divi dir n i finitame n que a superstiçãou oa interv ençã o divinasign minam são não ti vesse m nenhum apel, p um esqu emate. As propriedades quepredo evi d entes e o dã à substância s sua caract erís em que tudo udesse p ser expl icadocom ra váveis,enqua nto outras sã o laten cionalida de - um ver dadeiro modelo cien ticas obser tes. L o go, uma árv ore tem ma is cas ca que tífico. Ao se li mitar atipos de m atéria qu e um pouco de cada - só pudesse m serpercebid os, Anaxág oras estapele,mas ainda tem nã o tem o suf ici e nte para ue q su a pele seja beleceu mu padrã o paraos físicos li darem ica com o qualquer bs su como mundo ífsico visível queduraria qua notada. Isso expl tância pode ser feita de qualq u er out ra, uma se 2.500 anos. vez que requer simplesmente proporções diferentes de todas as propriedades (ou ma A S SEMENT ES DA MATÉRIA Para Anaxág oras, o aspe cto esse ncial doteriais)paraformar anova substância.
mundo nat ural era a mudança . Ele via tudoem constante movi mento, umacoisa esA MENT E ANI MANDO A MATÉRIA transformando em outra m e um cicloinfin Anaxágoras tinha um ingrediente adicional dável. Amaté ria, dizia ele , não po dia e xistirpara juntar oa cadinho,e este eraa inteli gência, ounous. Ele nã o acreditava que a inte do nada enem parar dexisti er, uma cren pre m e toda ma téria, ça que ele co mpartil hava com os prime iros ligência estivessesente s em coi sas animadas iv(v as ou pensa dores, aTles de Mil eto e Parmê nidesmas apena orém P ainteligência tin ha um (c. 515-C.445 a.C.). Essa mesma crença foiconscientes). dicional: noníc i io de todas as coisas , apresentada bem mais tarde pelo quími papel a ncias dif erentes an co francês Antoine Lavoisier(1743-94) na não se distinguia substâ aena s umapilha homogênea lei da conserv ação da massa (vej a a págin amatéria;era p ículas ou lama que organizavam se 40).Além disso, ele afirmava que toda ma de part téria eracomposta dosesm mos ngredi i en em matéria “pró pria” pelo pri ncípio mental. tes fundame ntais - propriedade s essenciais Isso soa terriv elmente como criaçã o e talvez “sementes” de substâncias sicas. bá por uma entidadedivina, e Anaxá goras foi As propriedades sempre existiriam em pares irredut ível em não querer su perstiçã o nem opostos, como quente-frio, claro-escuro e em seu relatodo mundo. A“menreligião 26
O PRIMEIRO FÍSICO?
ANAXÁGORAS (C. 500-C.430 A.c.) Nascido na Jônia, na costa oeste da atual Turquia, Anaxágoras mudou-se para Atenas aos 20 anos, onde entrou imediatamente nos círculos intelectuais mais altos. Ele se tornou companheiro e instrutor de Péricles, governante político de Atenas no auge do poder da cidade (454-41 3 a.C). Anaxágo ras ensinou e escreveu um tratado sobre fi losofia natural que mais tarde foi usado pelo filósofo grego Sócrates (469-399 a.C.). Sua fama espalhou-se por toda parte, seu apre ço pela vida intelectual e desinteresse pelos prazeres carnais e sociais tornaram-se tão famosos quanto seus ensinamentos. Anaxá goras era tãotudo dedicado mental que negligenciou o mais àe vida deixou que sua considerável herança se perdesse. Apesar de ser a maior figura intelectual de Atenas, ele se mudou da cidade depois
de 30 de anos, e pouco se sabe sua vidanaa partir então. Morreu em de Lâmpsaco, costa de Dardanelo, por volta dos 70 anos, mas sua influência continuou durante um século após a morte.
No esquema de Anaxágoras, um objeto natural como um texugo mistura sementesque incluem pele, sangue e osso comnous ou "inteligência". Um objeto inanimado compartilha asmesmas sementes em diferentesproporções, mas não possui "mente".
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A MENTE SE SOBREPÕE À MATÉRIA
te” dele nã o eraum criador tel inigente,mas T u d o se transforma um tipo de elementoinspirado r que desenAnaxágoras concebeu um modelo em que a cadeava as fo rças físicas que aziam f girar ma a téria não dia po ser criadamne destruíd a, matéri a element ar, a f zendo -a se sepa rar, semas no qual mutabi a lidade do mundono às diferenciar forma e r corpos como a Terra esavolta éexplicadatransfo rmando-se amaté o Sol. E uma difícil vez ser que xato e não qua nto aotem l daria a ela ongo do tétr po. Se uma árem voreba c mente, sema ispape o texto tadao madei raem ansf ormada récoo , r a completo de Anaxágoras . No enta nto, Pla matéria mudou e reorganiz se ou, mas con tão rel ata que ócrates S co mprou uma cópia serva o m esmo tipo e qua ntidade (co ntando do trabalh o de Anaxág oras por pensa r que o barco, sobras o e pó de serrag em). Outras forma ções ex igem re organizações ma is estacontivesseuma x eplicação que envol ve trans uma concepçã o da inteligênci a, e se de sa profunda s: atearfogo emuma árvore, por exemplo, produz cinz a, vapo r d’águ a e fu pontou. maça quenão são semelh antes à madei ra. Como to do obj eto contém , em pr oporções diferentes, to dos ostipos possív eis dematéria e qualidade s, exist e sempre o pot encial para cada tipo de matéri a ser deriv adade qualquer objeto -porta nto, uma pla nta poder ia cre s cer do solo,por exe mplo, reorga nizando-se ou extra indotipos de matéria. Anaxágoras percebeu que para que isso ocorresse, as partes co nstituintes da ma té ria (sem entes) dev eriam se r extrema mente peque nas; ca so contrárioas tra nsformações que vemos di ariame nte nãoseriam possí veis. Os componentes da matéria teriam de atender ao requisito de serem infinitesimalmente peq uenos,e isso mpôs i prob lemasin super áveis oa model o. P ar te s indivisíveis
Quando uma árvore queima, seus constituintes se reorganizam radicalmente.
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A palavra “átomo” vem do termo do grego clássico átomos”, “ que signif ica insepa rável ou indivisível. A suge stão de ue q tudo é fei to departículas minúscula s indivisíveis tem suas srcens no sécu lo 5a.C.com otraba lho de Leucip o, e depois com eu s alunoDemócrito.Sabe-se muito mais sobre eDmócrito (c.460-C.370 a.C.) do quesobreLeuci po, a ponto de o filósofo grego Epicuro (341 -270 a.C.) duvidar a d existênciae dLeucipo. E
O PRIMEIRO FÍSICO?
impossív el dizer que parte od modeloatô problemas insuperáveis para os pensa dores mico veiode Leucipo.O atomism o sustentagregos queviveram post eriormente elevou que o n uiverso abrange matéri a formada deo modeloatômico ao marasmo do qual ele partículas im núsc ulas, indivisíveis, exi sten não saiuurante d 2.000 anos. tes numvazio . Os átomosde qualquerbs su C oisas e n ã o coisas tânci são me do smo tamanho orma e f to, eAté feito sa do smome material. aqui o atomismo soa muito parecido ao Se os á tomos sã o part ículas homo gêneasmodelode Anaxá goras; noenta nto, paraele, {hom eom erias)minúsculas, exist e uma que stão toda ma téria lutua f va no ar ou aether(veja óbvia: po r que les e não po dem se r ainda m aisa página32), que éuma substânciaísicfa, divididos? Se Demócrito tinha u ma resposta , enquantoara p os atomistas matéri a a existia estanão sobreviv eu. Pode ser que os átomos, em um vácuo. Demócrit o (ou Leucipo ) foi sendo ho mogêneos,não tenham vaziointernoo primeiroa postular o vácu o, embora a ne (enqua ntopeda ços ma iores de ma téri a têm s e cessidade de um vácuofosse vidente e p ara a paço entre os átomos),e isso,em si, si gnificamatéri a se mover: emum universo chei o de que lees nã o podemser divi dido s. matéri a, cada parte de paç eso já estari a ocu Existe m u paradoxo inato, também, em padaalgo demod o que nã omovesse pudesse ser dele. ocup ada um modelode matériacompostode partí por mais que se dentro cula s infinitesimais. O queAnaxá goras quis Quando algo se o mve, não só muda para dizer com inf initesimal era que as partículasum espa ço vazio, mas também ixa de espaço eram menores do que qual quer medid a ar vazio para trás. Enquanto os primeiros pen bitrari amente pequena , masmaiores do que sadores nega vam a x eistência de um vácuo zero. Mesmo im, assele c aredi tava quetodo (“o que não é”), Demócritocontou co m a objeto gu ardasse um número in finito de evidência de nossos se ntido s - sabemos que partícul as, poi s por me nor quefossea por as coisas se m ovem - paraestabe lecer o á v ção que ele ma to sse, semp re haveri a um cuo como um conce ito válido. Além diss o, pouco de ca da tipo de matéri a. Se osátomospodemos ver queuniverso o é composto de ou sementes nã o têm ext ensã o no espaço muitas coisas (ele plura temlidade),enquan (tama nho zero),entã o mesmo um núme ro to se não houves se espaço vazio , toda maté infinito deles não poderia compor téria ma ria seria contí nua. A pluralid ade ea mudan de tamanho finito. Essedilema aprese ntou ça exi gem umvácuo.
HOMEOMERIAS
Anaxágoras, e mais tarde os pensadores gregos, distinguiam substâncias que eram homeômeras (homogêneas) e aquelas que não eram. Uma substância homeômera é aquela em que todas as partes são como um todo. Logo, uma pepita de ouro é homeomeria porque não importa o quanto seja pequena, ela ainda tem as propriedades de uma grande pepita de ouro. Uma árvore ou um navio não são homeômeros, pois podem ser divididos em par tes que possuem características diferentes. Para o olhar moderno, as homeomerias são os elementos e os compostos químicos puros.
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A MENTE SE SOBREPÕE À MATÉRIA
ARISTÓTELES (384-322 a.c.) Aristóteles nasceu em Stageira, Macedônia, mas ficou órfão muito cedo. Mudou-se para Atenas por volta dos 18 anos de idade para
de Delfos. Ele se tornou o melhor e o mais famoso discípulo de Platão. Em 342 a.C, Aristóteles voltou para a Macedônia e tor nou-se tutor de Alexandre, o filho de Filipe II
estudar com Platão, na academia dele, se da Macedônia, que mais tarde se tornou guindo conselhos a ele dados pelo Oráculo Alexandre, o Grande. Aristóteles retomou o trabalho de todos os primei ros pensadores gregos e então construiu suas próprias visões com base nos aspectos que ele considerava corretos, ex pandindo-os. Ele escreveu so bre quase todos os assuntos, inclusive Física. Seus ensina mentos foram preservados por acadêmicos árabes e foram re tomados na Europa traduzidos para o latim nos séculos XII e XIII. As ideias científicas de Aristóteles dominaram a ciên cia ocidental até o século XVIII.
M atéria atôm
ica e el em entar
terra, ág ua, fogo ear. Essemodelofoi retraPara amental idade m oderna,soátomos eelebalhado edefendido po r Aristóteles, talvez mentossão parte do mesmo modelo do uni o maior e ma is influente pe nsador da histó verso. Os elementos são substâncias químicas ria do ocidente. pura s, cadauma compo sta deátomosdên i ti Platão renomeo u os qu atro eleme “ ntos cos; logo,todo o ouro sã o átomos de ouro,eprinci pais” eAristó teles sou u ess e ter mo. todo o hi drogênio são átom os de hidrogê nio. Cada lemento e é caracteriz ado po r dua s pro Os compostos, no enta nto, contêmátomosprieda des d os contrá rios natura is - quentede dois ou ma is elementos;logo o dió xido de-frio e úmido-seco. Logo, a terra éfria eseca, carbono abrange tomos á decarbono e oxi a águaé fria e úmida, o ar é quente e úmido , gênio, por exe mplo.Nas teori as antiga s dae o fogo é quenteseeco. Essa s prop riedades matéria, contudo,os átomos e oselem entostambémormaram f base a do mod elo de sa ú pertencemmodelos a diferentes. de e doençaconl base os n quatro humores propostos rpo Hipócrates (c. 46 0-C.37 7 a.C.) Q uatro - ou cinco - el eme nt o s ou su a escola,queperdurou até o culo sé X IX. ntar,toda Empédocles (c. 490-C.430 a.C.) ensinava De acordocom ateoria eleme a ocupa na turalment e um ca mpo que que tudo éforma do por quatro “princípios”: matéri 30
N jSE N . MATÉRIA ATÔMICA E ELEMENTAR
associ ado aseu s elemen tos e a O cobre, um metal que brilha, é composto apenas matéria é atraíd a para se u cam po de átomos de cobre. natural.A terra ocupa a posição Cristais azuis do sulfato de mais baixa eo fogo a ma is alta, cobre, um composto, são com a água e o ar ent re os dois. formados de átomos de cobre, enxofre e oxigênio. Isso expl ica laguns tipo s de mo vimento no mundo físico: obje tos pesa dos caem no chão porque a terra é seu elementoprincipal; a fumaça contém ogo f ear, que oc upa os ca mpos su perio res, po r iss o elasobe. U ma vez que m u elementoestáem seulugar natural, ele nã o se mov erá anão e s r que algo cause sse e mo vimento. Além dos quatro elementos, existe um quinto elemento muito diferente (ou “quin tessênci a”), cham ado “éter” . O conceit o de um “ét er” nunca desapa receu,emboraosse f Embora o omdeloatomistaedDemócrio próx imo darealidade considera do ou desconsi dera do ao longo deto fosse, de fato, muit entendidaoje, h foi a ideia pre ferida por Emmilhares denos a (v eja apágin a 32). pédocles,latão P eAristó teles, de um mundo forma do de qua tro eleme ntos, que cabou a send o mais aceita. Quando os pensadores árabes do in ício da IdadeMédia retomaram e desen volveramo pensa mento da Grécia Clássica,esse modeloeleme ntar foilevado adia nte.De lá ele foitradu zido parao lati m e entã o paraoutraslínguaseuropeias; eelfoi é
o marco do pensame anaturez a da matéri a durant e maisnto de sobre 2.000nos. a M-M-M
udanças
Enquanto Parmênides não conseguiu expli car sa mudanças os e atomistas af irmavam que ovazio permi tia quea matéri a muda sse, Aristóteles afirmou que todas as mudanças ocorremcomo transf ormaçã o entre ossta e dos. Isso en volvia ’’tra nsforma r-se e voltar ao estado natural” -novamente um a ver são da conservaçã o de massa. Logo, para se Desenho alegórico dos quatro elementos em um manuscrito do século XII. 31
MENTE SE SOBREPÕE À MATÉRIA
A tomismo indiano tornar umaestátua, um co blode pedra ou bronze deix ava de serum blo co e se tornava Os gregos nãoora f m os ú nicos pensa dores a chega r a um tipo de teo ri a a tômica. Os umaestátua. Parase tornar umhomem, um meninodeixava de se r criança. ada C coisafilósofos indi anos tam bém sug eriram qu e mutá vel tem o otencial p ar pa algo mais, e a matéria pode ser compo sta departí culas
ess potencial é percebido aose muto da r. Entã o minúscul as. Não está se ria os greg osro, ou elee perde seu potenc ial para rnar ead os indianos deriv ara m claro essateo primei quire “realidade”. e se eles o de senvo lveram indep enden te mente ou um a tradiçãonfluencio i u a ou tra. O filósof o indiano ana K da (Kashyapa) podeter vividono sé culo VI ou no sé culo O ÉTER: 2.500 ANOS DE UM II a.C. (nã o há c o ncordâ ncia n e tre os hist o MEIO NÃO DETECTÁVEL riado res).Se a datamais ant iga for correta, O éter, ou quintessência, aparece primeiro o atomismo de Kanada é ant e rior à tradiç ão como o quinto elemento no pensamento grega, e pode têla influencia do. grego antigo. Este é o elemento dos céus A teoria dos átomos de Kanada com e não faz parte da matéria terrestre. Foi considerado o âmbito natural dos deuses, sendo imutável e eterno. Pensava-se que se movia apenas em círculos, uma vez que um círculo é a forma perfeita. Diferenças em densidades no éter eram considera das como responsáveis pela existência dos corpos celestes. O grande filósofo e ma temático francês René Descartes (15961650) pensava que a visão era possível porque a pressão exercida no éter era transferida para o olho. O conceito de éter foi retomado no século XIX pelo cientista escocês James Clerk Mxwell (1831-1879) para explicar o transporte de luz e outras formas de radiação eletromagnética. O físico holandês Hendrik Lorentz (1853-1928) desenvolveu uma teoria de um meio eletromagnético abstrato entre os anos de 1892 a 1906, mas quando Albert Einstein publicou sua teoria especial da relatividade em 1905, ele descartou o éter de uma vez. Mais recentemente, vários cosmologistas propuseram um tipo deà éter que inunda o cosmos, talvez ligado matéria escura.
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plementou teori apos elementar vez que ele propôsa cinco ti di ferentesuma de átomo, um paracadaum dos cinco element os que compu nha o mode lo indianoda matériafogo,água, terra, ar e éter, o mesmo que o n mode lo de Aristótele s. Os átomos - ou parama nu - são atraído s uns paraos outros e todos segr aupam. Uma partíc ula diatô mica, dw inuka, po ssui propriedade s pertencentes a cadacomponente;estas nt eão se agrupam em aglomera dos triatômicos que sepensa va sere m os menores compo nentesvisíveis da matér ia. A variedade es apropriedades di ferentes damatéri a respo ndem pelas com binações e propo rções div ersas dos ci nco tipos depara manu. Na versão do ato mismo de Kanada de senvolvida pelascol e a deVaisesika , os á tomos po diam ter um a combi na ção de 24 propri edades possív eis. Mud an ças quí micas efísicas namatéria acont ecem quando o parama nu se re combina. Ao contrário dos filósofos gregos, Kana da acredit ava queos átomos po diam surgir ou deix ar de existir instant anea mente,mas não podiam er s de struído s por me ios físicos ou químicos.
MATÉRIA ATÔMICA E ELEMENTAR
KANADA (KASHYAPA) foi um tipo de alquimia (veja a página 36). O filósofo hindu Kanada nasceu em Gujarat, Ele propôs uma teoria atômica da matéria, índia. De acordo com a tradição, seu nome que concebeu quando estava andando en srcinal era Kashyapa, mas quando criança quanto comia e atirava pequenas partículas
ele recebeu o nome Kanada (de Kana, que significa grão) pelo sábio Muni Somasharma, por conta de seu fascínio pelas coisas minúsculas. Sua principal área de estudo
de comida. Diz-se que ele percebeu que não podia continuar a dividir a comida em pe daços sempre menores, mas que isso deve ocorrer com os átomos indivisíveis.
te seligarem. Os áto mos A teoria do atomismo deJain data do sé te quelhes permi podiam se combinar ra pa produzi r qualquer culo Ia.C. ou antes . Ela vê o m undo todo, s “agreg ados”: terra,água, so m com exceção sdaalmas, co mo co mpost o deum de eis jetos dos nti sedos,matéria kármi ca e átomos,cada qual tendo um po ti de gostooubra, ob cheiro, umacor etomos dois ti pos ca racterísti ma téria impró pria. Havia te oricas comple xas sob re como os átomos se omportavam , rea ca ao toque. Os á de Jaide n ficavam em giam e se combi navam . movimentoconsta nte,geralmente em linhas retas,embora pudesse m seg uir umatrajetó ria curva es atraído s a outros átomo s. Havia A tomismo i sl âmico aindaum conceito de carg a polar, co m partí Se as teo rias ind iana egregaforam as pri culas tendo uma cara cterí stica sua ve ou or f meiras,ambas foramtrazidas los pe primei ros setudio sos islâmicos. Os ensinamentos dos g regos antigos sobreviv era m no Império Romano Oriental (Bizantino) e foram reto mados pelo s primeiro s estudioso s ára bes que os traduz iram comentara m.slâm a, uma duas forma s princi paisede atomismo iHavi ico mais pró xima do pe nsamento indianoe aou tra, do aristo télico. A quetevemais suce sso foi o traba lho Asharite deal-Ghazali (105 81111). Paraal-Ghazali , os átomos sã o as úni cas coi sas ma teriais et ernas; tudo o mais dura apena s um instante e é consi dera do “aciden tal”. As coisascident a ais não po dem ser a causa dequalq uer coi sa, excetoa percepção.
Al-Ghazali era Asharite - uma seita que acreditava que a razão humana não podia estabelecer verdades sobre o mundo físico sem a revelação divina.
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A MENTE SE SOBREPÕE À MATERIA
ico do século VIII, em Alguns anos mais tarde, o filósofo islâ um alquimista islâm xtos não fossemrealment e tradu mico de ori gem sepanhol a Averroes(Ibn bora os te balhosde Gebe r.) PseudoGeber Rushd,1126 -1198) rejeit ou o modelo de ções dos tra todos os materiaisfísicos têm al-Ghazali e comentou longamente propôs sobre que erna de cor Aristóteles. Averroes foi muito influente no umacamadainterna e outra ext pens amentopara medieval po eã foi un fa púsc ulos. Ele acre ava que todos os metais fossem feitos de dit corpúscu los de me rcúrio e damental quecadem asterior a ia crist e judi enxof re empropo rçõesdiferentes. E le apoia absorvess e o pe nsamento aristotélico. Muito do tra balho ára be foi tra duzidova essa crença na alquimia (veja o box, página icava que todos os metais para o latim noníci i o da Idade Média, n i 36), poisesta signif troduzindo o pensa mento clássicoeggr o tinham os ingredient es neces sários para es cisa vam serefinar na Europa. O s ensiname ntos deAristó telestornar ouro - eles só pre eram adotados pelagreja I Cató lica se mpreadequa dame nte ou serem reorga nizados. quenão contradissesse m diret amente a BíAlgo parecido à visão de Pseudo-Geber bilia ou os pensadores cristãos influentes. era descrito por Nicho las deAutrecourt (c. Por essa via, eles orma f ram os u f nda mentos 1298-C.1369). Autrecourt fez o debate fer dos que modelos científicosnocidente e Ofilosóficos acei em Paris, nacépoca o centro tos fo ram correntes atéver a Europa da , acer a de divi sibilidaintelectual de ou ndi i Renascença , quando pensadores opeus eur visibilidade de um conti nuum.E ssa questão finalmente co meça ram aquesti onar ea chesurgiu da declara ção deAristóteles de ue q caros ensinamento s dosantigos. um conti nuumnã o pode serormado f de par tícul as indivisíveis. Ele acreditavaue q toda matéria,espa ço e tempo ossem f compo stos DOS ÁTOMOS AOS CORPÚSCULOS de átomos, po nto s e instant es, e que toda No século XIII, um alquimista nônim a o nça éo result ado da reorgani zaçãode chamado PseudoGeber de u iníc io a uma muda átomos. á V r ias visões de Autreco u rt era m teoria da matéri a basea da em pa rtículas minúsc ulas, às quais chamou de “corpúsculos”. (O no me estran ho “Pseudo-Geber” vem por ele ssi a nar seustra balhos como G eber, que eraa formalatinizada d o nome Jabiribn Hayy un,
Debate imaginário entre o Averroes aristotélico (à esquerda) e o filósofo neoplatônico Porfírio, que morreu 800 anos antes do nascimento de Averroes.
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MATERIA ATÔMICA E ELEMENTAR
ofensivas igrej à a e ele tev e de se re tratar depois de jul ser gado em 13401346. Para ele, todo movi mento era inerenteno obje to movente (àmedida que o movi mento é reduzi do a moção de partículas). A visão de que amatéri a é gra nular, e formadade instantes distintos, não foi aceita po r pens adores posteriores. Uma varianteodatomismo inicial tornouse popularno
Pierre Gassendi era proponente do corpuscularianismo.
outro s sentidos, a teoria que ele publ icou em 16 49 era sur preendenteme nte exata . Ele pensava que as propriedades da matériaosse f m produz idas pelas orma f s dos tomos, á que os átomos po diam sejuntar em molécul as e que eles xist e iam em um vazio enorme- de modo que amaior parte da matéri a fosse, na verdade, não matéria.isão A vde Gassen di não era tão inf luente qua nto de
sé XVII e Boyle, teveo apoio do qu ímico rlan i veria ter sido muitoela, maisne dêcu s lo Robert do lósof fi o fra ncê s Pierre influente, se porque opunhaDescartes, diretamente a Gassendi (15921655) e deIsaac New ton, gandotaxati vamente que pude sse haver um entreoutros. Conhecido moco“corpus cula - vazio. No entanto, Gassendi e Descartes rianismo ”, diferia do atomismo nontido se de conco rdavam sobre um ponto : ambos acre que os corpús culos não precisam r ind seivi ditavam que o undo m osse f essencialmente síveis.De fato, os proponentesalquimi da a meca nicista eseguis se a s lei s danaturez a. (inclusive New ton) usa ram a indivisibilidade Robert Boyl e trouxeo atomismo no va dos corpúscu los para explicar como omermente à vo ga alguns an os após a mort e de cúriopodia seinsinuar n etre aspartícul as deGassen di. Em 1661, elepubli couTheScepoutros metais, prepa rando terrenopara ua s s tical Chymist,descre vendo umuniverso for transm utaçõesmeouro. Os corpuscularia nos mado totalment e por átomos glo e amera dos sustent avam ue q nossas percepçõ es e expe de átomos,todos emmovimento ntínuo co . riênci as do mundo à nossa volta res ultam das Boyle propô s quetodos os fenôme nos sã o ações de partí culas minúscul as dematéri a so resultado de isõ col es entre tomos á em mo bre noss os órgãos do sentido . vimento, e fez um apelo aos químicos para que investiga ssem leme e ntos, pois ele sus peit a va da exi s tênci a de mais elemento s do Dos COSPÚSCULOS DE VOLTA PARA OS que osquatro d i entif icados por Aristó teles. ÁTOMOS O anatomismosó reviveu plenamente quando Pierre G assendi propô s uma vi A I dade d a R azão do em geral são cética do mundo em que tudo o queIdade daRazãoé o nome da odo que começa por volta de 16 00 acontecia se dava por causa do mov imentoao perí e dainteraçãode partí culas minut as quesequando o clima filosófico da Europa e as d iança guiam sa leis naturais. Gassendi exclui u osnovas colônias naAmérica erade conf no. Ela deu cont inuidade seres pensant es de seusquema, e mas, emno esforço huma 35
A MENTE SE SOBREPÕE À MATÉRIA
anto o racionalismofavoreceus aabor ao florescimentodo otimismo e ea rlizaçã o enqu da ge ns ma temática filosó e fica. P orém não iniciados na Rena scença , e conclui u a mu e uma divi são clara n e tre as dua s, uma dança d a visão dep reciati va ou humil de daexist vez que a s conclusões a que se chegou por humanidadeomo c pecadores imperf eitos o raci onal co stuma m serpassívei s de que pre dominou na d I adeMédia par a uma deduçã visão que celebrava os feitos e o potencial teste s por mé todos empíricos. Jun tas, essas ens o f rmaram sa bas es da revo lução humanos. A Idade da Razão impulsio nou abordag científ ica. O des envolv i me nto do m étodo e foi impulsio nadapelos desenvolvimentos na ciência, tecnol ogia, filosofia, pensa mento científico, um dos triunfos da Idade da Ra zão, mudou o rso cu dadescoberta científ ica político e as artes. A filosofia do período às vezes é dividida para sempre. em dois campos, racio nalista eempiricista. Os racionalistas ma ntinham quea razão era O n asci me nto da físi ca do a via parao conhecimento , enqua nto os em- estado sólido piricistas def endiam aobservaçã o do munAceitar que a matéria é composta de par tículas minúsculas, quer sa chame mos de do ànossavolta. Isso se guia , grosso modo, a divisão entre Platãoracio ( nalista) Aris e átomos ou de corpúsc ulos, levou a qu estões ias como: qual oé formato delas , como tóteles (empiricista) no pensamento óbv antigo. m em ma téria contígua, como A visão empiricista levou diretamente ao elas se une pos de matéria gem rea einteexperimentali smo ci entífico e à observa ção, diferentes ti
ALQUIMIA
Os objetivos mais conhecidos do esforço filosófico e científico da alquimia são transformar os metais de base em ouro,
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por meio da transmutação, e produzir um elixir da vida. A famosa pedra filosofal era considerada com frequência um componente essencial do elixir da vida, do processo de transmutação, ou ambos. A alquimia foi praticada em várias formas no Egito Antigo, Mesopotâmia, Grécia Antiga, China e no Oriente Médio islâmico, bem como na Europa durante a Idade Média e a Renascença. A alquimia é a base da moderna química e farmacologia, e na alquimia chinesa a produção de remédios foi
com chumbo, mas outros metais de base podiam ser usados. É desnecessário dizer
uma atividade importante. Tentativas de transmutação com frequência começaram
que nenhum dos métodos dos alquimistas funcionou.
Um alquimista trabalhando na destilação em um laboratório.
O NASCIMENTO DA FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO
O PODER DO NADA
O cientista alemão Otto Von Guericke (1602-16 86) inventou - ou descobriu - o nada. Literalmente. Ele provou que um vá cuo podia existir, o que os cientistas an teriores tinham negado. Depois de fazer experiências com foles e desenvolver uma bomba de ar, ele fez uma demonstração espetacular na frente do imperador Ferdinando III, em 1654. Ele construiu esferas de metal a partir de dois hemisférios e bombeou ar. Então ele mostrou o poder do vácuo - ou o poder da pressão atmos férica - demonstrando que nem mesmo dois cavalos conseguiriam separar os he misférios.
Robert Boyleem 1689, dois anos antes de u sa morte, quando já estava com a saúde debilitada.
ragem, como sa mudança s físicas (fusão, do grã os, e que acoesã o dentrodos grã os era congelamento,sublimaçã o) se relacio nam maior do que acoesã o entre os grã os. Ele ao modelo das partículas? Físi cos do sécunão notou, contudo,que os“grã os” em fer lo XVII deduzira m modelosda estru tura a d ro forjado forma m uma estrutura crist alina. matéri a a partir daobservaçã o dasproprie Embora na teoria os microscópio s pudes sem dades e od comportamentode substâncias revelar tais rutu est ras,elessó pa ssara m a ser - o que sàvezes os lev aram a deduções bas usados comumente naegu snda metade do tante bizarras . século XVII; mes mo ass im, era m mais usa Depoisde observara produçã o de ferrodos em estudos biol ógico s. Evidenteme nte, forj do, Des rtes m conclui u juntav que saam paforma rtículas o existe o que de aferro de ca a lgum odo se n nã dos táomos microscópi ou mol éculas . mostre aforma
"[Robert Boyle]é muito alto (cerca de l,80m) e sério, muito comedido, virtuoso e frugal: um sol teiro; mantém uma carruagem; reside temporariamente com a irmã, Lady Ranelagh. Seu maior prazer é a química. Ele tem na casa de sua irmã um laboratório nobre e vários serviçais (apren dizes) para cuidar do laboratório. Ele é caridoso com homens inventivos que estão necessitados e os químicos estrangeiros têm tido uma prova de sua generosidade, pois ele não poupa custos para guardar qualquer segredo raro. Ele arcou com os custos de tradução e impressão do Novo Testamento em árabe, para enviá-lo aos países maometanos. Teve um renome respeitado na Inglaterra e também no exterior; e quando os estrangeiros vêm aqui, uma das curiosidades deles é lhe fazer uma visita."
John Aubrey, Brief Lives
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A MENTE SE SOBREPÕE À MATÉRIA
"Existem, portanto, Agentes na Natureza capazes de fazer as Partículas dos Corpos se unirem
por Atrações muito fortes. E é Tarefa da Filosofia experimental descobri-los. Agora as menores Partículas de Matéria podem aderir com Atrações m ais fortes, e compor Partículas maiores de Virtude mais fraca, e muitas delas podem aderir ecompor Partículas maiores cuj a Virtude ainda é mais fraca, e assim por diante para diversas Sucessões , até a Progressão final nas maiores Partí culas em que as Operações de que a Química e as Cores de Corpos naturais dependem, as quais aderem a Corpos compostos de uma Magnitude sensíve l. Se o Corpo é compacto, e se dobra ou cede para dentro à Pressão sem qualquer deslize de suasartes, P é difícil e elástico, voltando para sua Figura com Força surgindo da Atração mútua de suas Partes. Se as Partes deslizam umas sobre as outras, o Corpo é maleável ou macio. Se elas deslizam facilmente, são de um Tamanho adequado para serem agitadas por Calor, e o Calor for grande o suficientepara mantê-las Agita das, o Corpo é fluido..." Isaac Newton, notas àsegunda edição deOpticks, Londres 1718.
ram aalguma s sugestõ es bi zarras para os O físico cartes iano Jacqnes Rohault forma tos das partículas.ico Nlaas Hartso eker (16181672) sugeri u em 1 671 quemateriais plástico s (ou maleáveis)inh t am partículas (16561725) af irmou em 16 96 qu e o a r é do de bolas ocasconstruídas denéis a com tex turas co mplicada s que sã o emaraforma mes, que o cloreto de mercúri o é nhada s, enquanto materiai s frágeis têmparcomo ara presa om c pont as de tículas co m uma textura simples que tocam umabola de mercúrio aulhas ou lâm inas, uma à outra a penas em alguns po ntos. Emsal e vitriol parecidasag 1722, o pensadorrancê f s René A ntoine Fer-e que oferro tem partí culas com dentes que m paratorná-lo duro qua ndo rf io. O chault de Réa umur (16831757 ) determino u se trava , ele alega que, ao co ntrárioda crençaanterior, o ç aoferro émaleávelquando aquecido va, pois a s partículas se separam o suficien não é ferro purif icado,mas ferro ao qu al “enxo fre esais” ora f m adicionados e ue q as te pa ra permitir que de slizem um as sobre partí culasdess as substâncias residem entre as outras.Pensar na s estrut uras da ma téria as partícul as de ferro. era um jogo, e Hartsoeker bou aca enco ra Sem nenhum outro método além dajando seus leitores a participarem: “Não imag inação paraonf ciar, os físicos ch ega desejo privar o leitor do prazer de fazer, ele mesmo, a busca seg uindo os princí pios queforamesta be lecidos acima”.
A microestrutura do aço: cientistas do século XVII não olharam o metal com microscópios.
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ÁTOMOS E ELEMENTOS
Imagem contemporânea de ferro sendo fundido, na visão de Descartes.
Áto m os e el ementos
Robert Bo yle es tavacerto em en corajar os uímicos q a procurar mais eleme ntos do que terra, água, ar efogo,mas isso oi f tempos an tes de seformular uma tabel a de elementos químicos. Antoine La voisier produziu o primeiro tra balhomoderno sobre quími ca em 1789, e incluiu nele uma lista de 33 elemento s — substâncias que não podia m ser dividida s. Infelizmente , a lista d e Lavoisier incluía luz e “calóri co”, que ele pe nsava ser u m fluidoque produzia per da ou ga nho de calor o pr meiode movimentoveja ( apágina 99). La voisier não considerou a sua lista de elemento s exaustiv a, deix ando porta b aerta pa ra mais n i vestiga ção e descoberta s posterio res, nem organizou sua lista deeleme ntos na ta bela pe riódica- esse traba lho foi deixado parao quími co russo Dmitri Mendeleev (1834-1907), que ocompletaria em 69 18 . A ta bela peri ódica é relev ante para a história dafísica , pois a org aniza-
ção dos elemento s deacordocom suas prop riedade s revelo u o sig nificado do núme ro atômicoe sua rela ção com avalência a- manei ra como osleme e ntos seligam. "Alma do Mundo! Inspiradas por ti, As dissonantes Sementes da Matéria concordaram, Como cientista mpírico, e La Tu fizeste a ligação dos Átomos dispersos, voisier afirmava que em seu tra Que, pelas tuas Leis da verdadeira proporção uniram-se, balho ele “tento u... chega r à ver Compuseram de várias Partes uma perfeita Harmonia." da de, li ga ndo os fatos; supri mir Nicholas Brady, "Ode para Santa Cecilia, c. 1691. o máximo possív el o u so do ra39
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A MENTE SE SOBREPÕE À MATÉRIA
Antoine Lavoisier, o primeiro químico de verdade.
ANTOINE-LAURENT DE LAVOISIER (1743-1794)
Antoine Lavoisier (como passou a ser cha mado após a Revolução Francesa, quando um nome nobre refinado passou a ser um ponto negativo) era filho de um rico advo gado e estudou direito. Ele se voltou para a ciência, primeiro estudando geologia, mas se tornando cada vez mais interessado em química. Ele tinha seu próprio laboratório, e este, assim como sua casa, logo atraiu cientistas e pensadores independentes. Lavoisier foi chamado o pai da quí mica moderna. Suas realizações foram consideráveis e variadas. Além de listar os elementos, ele reconheceu o papel do oxigênio na combustão e na respiração, e as reações semelhantes que estavam envolvidas em cada uma. Isso anulou a antiga teoria popular do flogisto (uma substância que supostamente seria libera da quando a matéria é queimada - veja a página 96). Politicamente, Lavoisier era liberal e apoiava os ideais que levaram à Revolução Francesa. Ele participou de uma comissão que propôs a reforma econômica, e suge riu aprimoramentos às condições terríveis em presídios e hospitais parisienses, mas isso não o salvou. Ele foi executado em guilhotina durante o Terror em 1794. Diz-se que ele pediu para adiar a execução para poder terminar seus experimentos, mas lhe disseram: "A República não pre cisa de cientistas". A história de que ele pediu a um assistente para contar quantas vezes ele continuaria a piscar depois de ser decapitado é amplamente divulgada, mas é provavelmente apócrifa.
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ciocínio que com frequência ému instrumento não confiável quenos en gana, a fim de seg uir o máximo pos sível a tocha da observaçã o e do exp erimen to”. Outracontri buição que ma is tarde provaria se r importante no entendimentodas reações quími cas no ní vel atômico foi a lei de conserv açã o da massa de Lavoisier - o reconhec imento de que nunc a seperd e nem se ganha massa em um processo deção reaquímica. Masapesar de chega r a umalista de elemento s, ele nã o acre ditava nos átomos, que ele consi derava conceitualmente impossíveis. T u do
em proporção
Decidi r que os tomos á existem um é bom começo,mas a fim de con strui r umamatéria contínua aparti r deles,e em mais varieda des do queapena s os leementos identifica-
ÁTOMOS E ELEMENTOS
dos por Lavo isier, erapreciso haver meios de junt ar átomos.Exatamente "Foi preciso apenas um momento para cortar aquela cabeça, e talvez um século não será suficiente para como os átomos aderemgrupos em produzir outra como ela." era u m enigma para os pri meiro s Matemático e astrônomo Joseph-Louis Lagrange atomistas. Newton escreveu sobre sobre a execução de Lavoisier, 1794. “Agentes daNatureza” que podi am juntar átomos. de O primeiro passo na investigação dos táomos de todo s os dem ais eleme ntos como os átomos se combinam foi determi e podem ser disti ntos por seu s pes os atô nar os ín dices em ue q eles se unem em commicos. postos. Oquímico ra fncês Joseph P roust • Os átomos não po dem ser criados, des (1754 -1826) deduzi u a lei das propo rções truído s nem divididos por oces pr sos quí definidas apartir de experimentos rpo ele micos. reali zados entre 179 8 e 1804, enqu anto era• Átomos de um elemento podem se com o diretor do Laboratório Real em Madri. binarA com átomos de outro para formar lei estabelece ue q, em qualquer composto um composto químico; um dado compos químico, os elementos sempre combinam to sempre cont ém amesmaproporção de na mesma relação de números nteiro i ssepela cada elemento. massa. Dalton desenvolveu a lei das proporções Alguns anos após Lavoisier ser deca múltiplas. Em vezde apena s examinar um pitado em Paris, o químico inglês único John composto formado por dois elemen Dalton (1766-1844) desenvolveu essa ideia tos, ele olhavaparaelemento s quepodem es e estabeleceu as bases damoderna eoria t combinar demais de um modo.Ele desco atômica moderna . Em um tra balhopor ele briu queas propo rções relati vas são sempre iniciado em 803 1 e publicado em 80 1 8, fo pequenos índi ces de número inteiro. Logo, ram estabelecidas cinco observações porsobre exe mplo,o carbono e o oxi gênio po dem átomos: formar monóxido de carbono (CO) ou dió • Todos oseleme ntos são formados de to á xido decarbono(C02). Usando os pe sos de mos. • Todos os táomos de umdado ele mento são idên ticos. • Os átomos deum elemento diferem
Otto Von Guericke conduzindo um experimento para demonstrar um vácuo. 41
"jjjjjj A MENTE SE SOBREPÕE À MATÉRIA
combinar oxi gênio e carbono,no CO a pro dese nvolvimento do mot or a vapor levou a porção é 12:16e no CO, é 12:3 2. Logo, aum interesse scente cre pela termo dinâmica relaçã o de oxigênio no CO para aquelano e, por conseguint e, a certa atenção s pro à C02é 1:2. priedade s e comportame nto dos á tomos. O Das relações em ques amassa s de el ecompo rtam ento dos táomos po dia serre mentos se combinam,oif possív el traba lharlacionado com a açã o de ga ses quent es em massas atômicas re lativ as. Dalton calculo u uma esca la muitomaior, e em decorrênci a a massa atô mica de acord o com a massa de às leisda termo dinâmica que surgi ram em cada element o em um compo sto, usandomeados do éculo s XIX. hidrogênio como sua unidade bá sica (1 ). A primeira evidência visual de que a ma No enta nto, ele u s pôsincorretame nte quetéria é compo sta de partí culas minúsculas compo stos simp les sã o sempre forma dos nafoi descober ta - emboranão imediata mente razão 1:1- logo ele pen sou quea água fosseexplica da - em 1827, pelo bo tânicoesco HO e não H,0 - e como resultado come cês Robert Brow n (17731858). Enqua n teu errossério s em suatabela de núm erosto examinavaminúsculo s grã os de pó len atômicos. Dalton també m não sabia qu e na água com omicro scópio, Brown noto u alguns elementos como mol écula e lesase moviam como diatô micas (ou existem seja, em pare s, como 02s). que se algum coisa invisívconst el anteme estiv essente batendo Esse s err os básicos ora f m corrigid os em neles. lEe descobriu que o mesmo mov i 1811, qua ndo o químicoitaliano Amedeo mento ocorria qua ndo usavarãgos de pó Avogadro (1776-1856) percebeu que um vo len quehaviam sidoguardado s durant e 100 lume ixo f de qualq uer gá s à mesmatempeanos, demonst rando que o movimentonão era iniciado pelos grã os vivos. Bro wn não ratura e pres são contém o mes mo número de moléculasrelacio ( nada s à Constante de conseg uiu expl icar o qu e viu, por issoo que Avogadro, 6,0221415 X 1023 mol-1). Dis agora é chamado movimento browniano so, Avogadro calculou que como dois litros atra iu pouca atençã o durante muito tem de hidrogênioreagem com m u litro de oxi po. Em 1877, J. Desaulx retomo u o tema gênio, os ga ses se combi nam na razão 2:1.sugerindo : “Em minha forma depensa r, o Avogadro - nome completo Lorenzo Ro fenôme no é um resultadode movimento mano Amede o Cario Bernade tte Av ogadro molecular tér mico noambiente quido lí (das di Quaregna e Cerr eto - agora éconside partículas)” . O físico ra f ncês Louis Georg es rado o criado r dateori a atômico-molecula r. Gouy (18541926 ) descobri u em 18 89 que quanto meno r a partí cula, ma is pro nuncia do o movi me nto , o que stava e claramen Á tomos - ve r dadei r o o u falso ? Embora o traba lho de Dalton pare ça ser te deacordo com a hipótese deDesaulx. co Feli x Maria Exner convi ncente vistoretr ospectiv amente, os O geofísico austría 1930) mediu o mov imento em1900, cientistas da poca é não aca taramsua expli (1876re lacio n a ndo -o ao ta m a nho eà tempera tu cação e os fí sicos e prma necer am divi didos ula. Isso preparouerre t no para entre aque les que ceit a avam aprovável exisra da partíc tência de átomos e queles a que onãacei taAlbert Einstein criar um modelo matemá vam. Felizmente, havia boas razões práticas tico para explicar o movimento browniano 05. Einstein estava rto ce de que as parase con tinuar exam inandoos gases. O em 19 42
ÁTOMOS E ELEMENTOS
moléculas era m res ponsáveis pelo movimento,e cheg ou àsprimeiras estimati vas do tama nho das mo lécula s. A teoria oi f vali dada pelo físico francês Jean Perrin(187 0-
ÁTOMOS: UMA QUESTÃO DE VIDA E MORTE Discussões sobre a existência dos átomos duraram por todo o século XIX, com alguns físicos alegan do que os átomos eram apenas um construto ma
194 2) em 1908 , quandoeste me diu o tama nho de uma molécul a de água usando o mod elo de Einstein.Esta foia primeira evidência experiment al paraa existênci a de moléculas, pela qual Perrin rece beu o Prêmioobel N da Física em 1926. Finalmente, só umcientist a extrema mente truculentopode ria nega r a existênci a de táomos e moléculas.
temático útil e não parte da realidade. A disputa levou Ludwig Boltzmann (1844-1906), um físico austríaco frágil mental e emocionalmente, a bus car uma filosofia que pudesse acomodar ambas as visões e pôr fim às dis cussões. Ele usou uma noção do físico alemão Heinrich Hertz (18571894), que sugeria que os átomos eram "Bilder", ou imagens.
Isto atomistas significavapodiam que os pensar neles como Se toma rmos avisão de Demócrireais e os antiatomistas to de queos átomos sã o os meno podiam pensar neles res componentes indivisíveis da como uma analogia ou matéri a, então os átomos não o sã imagem. Nenhum dos - fala ndo es tritam ente - átomos . lados ficou satisfeito. Mesmo qua ndo Einstein ePerrin Boltzmann decidiu tor estava m prov ando a exis tênci a dos nar-se um filósofo para átomos, evi dênc ias por pa rtículas descobrir uma maneira menores - subatômica s - esta de refutar os argumen OS
ÁTOMOS SÃO DIVISÍVEIS?
vam começando aparecer. Com a des cobertadoaelétro n pelo ísi f co inglê s JosephJohn Thomps on (J.J.) em 8 197, a indivisibilidade do átomoesta va pa ra ser questi o nada . O átomo gozaria de seu tí tulode “aúltima partí cula” ap enas por alguns nos a mais. Mas antes de pe netra rmos noátomo, exami narem os alguns fenô menos que não costuma m ser co nsidera dos como sendo forma dos por qual quer oisa c matérica: uz, l força s, campos e energia.
tos contra o atomismo. Em uma conferência de Física em St. Louis, EUA, em 1904, Boltzmann des cobriu que a maioria dos físicos era contrária à teo ria dos átomos, e ele não foi nem mesmo convida do para participar da seção de Física. Em 1905, ele começou a se corresponder com o filósofo alemão Franz Brentano (1838-1917), esperando demons trar que a filosofia deveria ser separada da ciência (uma visão ecoada pelo cosmologista inglês Stephen Hawking em 2010), mas ficou desencorajado. A desilusão com a maioria dos físicos que rejeita ram o atomismo acabou contribuindo para o suicí dio de Boltzmann, que se enforcou em 1906.
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CAPÍTULO 2
Fazendo a luz trabalhar
- ÓPTICA Há milêni os os seres hum anos têmxplorado e a luz do Sol, da Lua e das estrelas, primei ro comfoguei ras e, p osteriormente,com lâm padas. A uz l é tão essen cial para ossa n ex istência que com frequência é associ adaa crençaseli rgiosas e supersti çõescomo uma dádiva davida ou força ador cri a. Logo, duran te a m aior parte da História,a luz ocupouum luga r espe cial.Ao longo dos séculos, foi consi dera da u ma divindade,um elemento, uma par tícula,uma onda e finalmen te um a onda-p artícula. Uma vez que aluz está ligada intrinsec amente àvisão,o estudo da óp tica ncluiu i a luz e a visão juntas. Somen te 100 an os atrás os enti ci stas co meçarama reco nhecer queluz a visível era apenas uma parte de todo um espectro de radiaçãoeletrom agnética.
A descoberta de que a luz branca abrange a luz de diferentes cores foi um avanço no estudo da óptica.
FAZENDO A LUZ TRABAL HAR - ÓPTICA
\ ^1 Uma o lhada
na l uz
Ideias obre s anatureza da luz foramregis trada s pela pri meira vez naíndia, nos sécu los V e VI. A escola deSamkhyaconsider ou a luz como um dosinco c eleme ntos “sut is” funda menta is dos quais os lementos e bru “ tos” sã o formados. A escola de Vaishe shika, que adotou umavisão atomist a do mu ndo, suste ntava que luz a eraformadapor um e f i xe de átomosde fogo emmovimento - um conceito não muito diferente do atual con ceito de fóton. No primeiro texto indiano do século I a.C., Vish nn Purana re feriase à luz do solcomo os “se te raios do sol ”. Os anti gos não co nseguiam sepa rar a luz davisão. No século VI a.C., o filósofo grego Pitágoras suge riu que os feixes viaja vam a partir do olho como sensores, e que vemos um objeto quando os feixes o tocam, um modelo chamado teoria da missã e o (ou extra missã o). Platãotambé m acre ditava que os raios emiti dos pelos lho o s tornassema visão possível, e Empédocles, escrevendo Página de título deDe rerum natura (Sobre a natureza das coisas) de Lucrécio. no sé culo Va.C., falava e d um fogo qu e bri lhavafora do olho . Essavisão do olhocomo um tipo de tocha o nã conseg uia e xplicar tico, Euclides come çou o studo e deóptica por quenão enx ergamos tão bem no escu ro quanto luz àsse do dia; po rdo isso mpé doclestemá geométrica re vendo sobre cálculo s mao ticos da esc pe rspec tiva. Ele relacio nava sugeriu que es feixes ho olE deveriam tamanho de um objeto à distância do ho,ol interagir com umaluz de outrante, fo como e enuncio u a lei da reflexão:que o âng ulo o Solou uma lâmpada . incidência éigual ao âng ulo de reflexão de O primeiro trabalho preservado de sobre letida parecese óptica édo pensadorreg go Euclides (33 0- tal modoquea imagem ref tar tarás dospelho e quando o objeto estána 270 a.C. ), que tam bém a ceitava o modelo le. da emissão.Mais conhecidocomo matemá - frente de Cerca de 30 0 anos maisarde, t outro matemá tico grego inova "A luz e o calor do sol; estes são compostos de pequedor, H eronde Alexandria (c. 10-70 nos átomos os quais, ao serem empurrados, não perd.C.), mostrouque a luz sempre dem tempo para disparar direto pelo interespaço de ar seg ue a trajetória mais curta pos na direção imprimida pelo empurrão." sív el con tanto questeja e viajando Lucrécio, Sob rea nat ure za d o Unive rso , AD 55. pelo mesmo meio . Se a luz é tan46
UMA OLHADA NA LUZ
O ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão; logo, o reflexo de Thomas Young parece estar logo atrás do espelho, quando ele está na frente dele.
a luz n i clina-se emuma dire ção perpendi cular àsuperfí cie da gua á . Ele expl icou isso sugerind o quea luz desace lera oa entrar no meio mais denso. EmboraPtolomeuaceitas se omodelode emissã o da visão, ele co ncluiu que osios ra dos ol hos se port avam da mesma fo rma qu e os ra ios da luzqueviajava m para os olho s, logo ele uni u as teorias da visão e da luz. Mas lev aria século s até quee saceitasse que a visão era totalmente o sultado re da inci dência de luz noolho e que o olho não al “ cançae capta” imagens do undo m circun dante. Essepasso importantíssi mo foi dado por volta de 02 1 5 pelo aca dêmicoárabe Ibn to propagada quanto observadano ar, por al-Hassa n ibn alHaytham, que era conhe cido como lhazen A na Europa . O traba lho exem plo, não há defl exão. Ele percebeu equ refletir a luz a partir de spelhos e an plos nãodele foitraduzidopara o latim como Deas(Sobrea perspe ctiva) e teve gra nde in afeta sse e princí pio, e novamente de monspectibus trou queos ângulos deincidênci a e reflexãofluênciana EuropaMedieval. lA-Haytham são iguais. B r incando
com a l u z
Quando a Grécia Clássica perde u força como centro cult ural daEuropa, muito do esforço intelectual, inclusive as ciências fí sica s incipientes, tambémdecli nara m. Os pouco s pensa dores gre gos remanescentes muda ram-se para o leste. O traba lho experi mental ma is antigo bre so aluz o f i realiz ado pelo astrônomo grego Claudio Ptolomeu (c.90-c.l68 d.C.) enquanto trabalhava na Biblioteca d e Alexandriano Egito Roma no. Ele descob riu que , ao entrar m e um meio mais denso (como ao ir do ar para aágua),
cutlides, o matemático grego.
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FAZENDO A LUZ TRABA LHAR - ÓPTICA
O traba lho de al-Haytham ifoampliado por Qutb al-Din al-Shirazi 12 ( 36-1311) e seu aluno Kamal al-Din al-Farisi (12671319), que e xplicara m como um arcoíris é criado div idindo aluz branca d o Sol nasoc res const ituintes do espectro. p Aroximada mente oa mesmo tempo, o professor lemão a Theodoric de Freiburg (1250-1310) usou um frasc o de água esféric o para most rar que um arco-íris é criado quando a luz do Sol é refratada , ao passar d o ar pa ra dentro da gota daágua, sendo entãoleti ref da den tro da gota de água e novamente refratada - passando de volta daágua parao ar. Ele determinou o ângulo correto do arco-íris (entre o ce ntro e o halo)como 42 ra gus.
A refração faz um objeto que está parcialmente na água e parcialmente no ar parecer desconectado ou inclinado no limite entre os dois meios.
Mesmo as sim, co nseguiu detect o que causava um não arco-íri s secundá rio.ar Foi René Desca rtes quedesco briu, 300 anos depoi s, que éo segundo ref lexo de luz den tro das gotas deágua qu e origina um arco-íris secund ário e tambémcausa a reversã o dascores. A
l u z de
D eus
os es crito s dos cienti stas ra á bes o f ram trans crito s para o latim, com frequê ncia, po r
tomou o trabalho do primeiro cientista aca dêmico abalhav am sna Moura dominada (s que trpelos árabe ), eEspanha logose árabe sobre óptica, la-Kindi (c. 80 0-870), espalhara m pela E u ropa. que propô s “que tudoo nmundo. .. emite O trabalho sobre ópti raios em todass adireções,que preenchem ca foi toma do como o mundo todo”. Al-Haytam fairmou ue q os mei raios que transmitem e luz cor vinham o d base pelos pri mundo ext erno para o olho. Ele desc reveuros cientistas eu e a estrutura doho ol e como sa lentesun f ropeus,entre les cionam, fez espelhos para bólicos e atribui u os ingleses Ri te valores para a refração da luz. Al-EIaytham chard Grossetes també m afirmou que avelocidade daluz (c. 1175-1253) e deve serfinita, ma s foi outro ci entista ráabe,mais tarde pelo Abu Rayjhan al-Biruni (973-1048), que des cobriu que velo a cidade d a luz é consi dera Ibn al-Haytham velmente maior do que a do som.
UMA OLHADA NA LUZ
Um arco-íris é produzido pela refração e reflexão quando a luz brilha em gotas d'água.
acadêmico inglêsRoger Bacon (c. 1214-1294). rossetes Gemque te trabalho un em uma p éoca aforte co fiança m e Platão estava dendo ce diante do essurg r imentodos tra balhos de Aristó teles apartir da tradi ção árabe . Ele se ba seou em Averroes e Avicenna para construir seu própriotraba lho sobre luz. Como bispo,Grosse teste tomou como po nto de partida luz a criada por Deus em Gênesis 1:3 : “Deixai haver aluz”. IBN AL-HAYTHAM (965-1040; TAMBÉM ALHAZEN) Nascido em Basra, então parte do Império
de dez anos em que esteve preso no Cairo,
Persa, al-Haytham (ou Alhazen) estudou teologia e tentou resolver diferenças entre as seitas Sunnah e shi'ah do Islã. Ao fracassar em seu intento, ele se dedicou à matemática e à óptica. A maior par
sendo rotulado como louco. Aparentemen te ele fingiu insanidade depois de ter ale gado ser capaz de impedir a inundação do Nilo, um projeto de engenharia ambicioso
te de seu trabalho
demais que lhe trouxe problemas. A fim de testar sua hipótese de que a luz não muda
sobre óptica foi realizada no
de direção no ar, al-Haytham fez a primeira câmera escura conhecida - uma caixa com
período
um orifício em uma extremidade deixava a luz entrar e formava uma imagem na super fície oposta, podendo ser traçada no papel. Ele acreditava firmemente na realização de experimentos para testar suas teorias. Por ser um físico experimental rigoroso, às vezes é creditada a ele a invenção do mé todo científico. Uma câmera pinhole, ou câmera escura.
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FAZENDO A LUZ TRABALHA R - ÓPTICA
"Aquele que busca a verdade não é aquele que estu da os escritos dos antigos e, seguindo sua disposição natural, coloca sua verdade neles, mas aquele que suspeita de sua fé neles e questiona o que ele reúne a partir deles, aquele que submete a argumento e de
luz como “pri meiraforma”. Uma observaçã o interessante um e tes temunho adicio nal à originalid ade de Grosseteste é que ele parece ser o primeiro pensador ocidental
monstração. "
a sugerir infinit s múltipl os:ímpa “... a soma de todo s oos núm eros, res e pares, é infinita, e, portanto, é maior do que asoma de todo s os núme ros pares, embo ra esta Ele viu o process o de criaçã o como um também se ja infinita; po is ela aexce de pela processo físico impulsionado pela expansão somade todos os núme ros ímpares”. e contração de esferasoncêntri c cas deluz. Roger Bacon, que mudou da Universi A luz seria, como ele afirmava, autogerada dade deOxford para a de Paris, dominav aa infinitamente,assim o c mo umasfer e a de luz maior parte dos xto te s gre gos eislâmicos so surg e instantanea mente de uma única on f bre ópt ica entre 1247 e 126 7, e pro duziu seu te deluz. O traba lho dele émais me tafísico arde t ele que físico, e é altamente ginal ori ao postul arpróprio leceu umtexto, proÓptica. grama Mais de estudo queestabe incluía um mé todo de criação basea do na ação daciências té a então o nãensinadas na univerIbn al-Haytham
ARISTÓTELES, ACEITO E REJEITADO A redescoberta do trabalho de Aristóteles na Euro pa, por meio de traduções para o latim dos textos preservados por estudiosos árabes, não foi imedia tamente aceita pela Igreja Católica Romana. Libri naturales de Aristóteles (Livros de Ciência Natural) foram condenados pela Universidade de Paris em 1210 e novamente em 1215 e 1231, o que signifi cou que não podiam ser ensinados. Mas por volta de 1230 todos os trabalhos de Aristóteles estavam disponíveis em latim, logo a Faculdade de Paris ce deu e em 1255 Aristóteles voltou a fazer parte da leitura obrigatória e do programa de estudos. Ro ger Bacon, que na época trabalhava em Paris, foi um dos primeiros a perceber os resultados do livre acesso às ideias de Aristóteles pelos estudiosos pa risienses.
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Cópia de manuscrito medieval de Física de Aristóteles traduzido para o latim.
SAINDO DO ESCURO
sidade, emumodelode ciência experimen tal baseado em seu trabalho de óptica. Mais O TELESCÓPIO DE GALILEU tarde ele monto u um programa de estudo Galileu estava em Veneza quando sou que incluía ciências até então não leciona be que um telescópio tinha sido cons das nauniversida de; e um modelode ciência truído; um holandês tinha ido para a Itália vender o instrumento ao senado experiment al base ado em seuotrabalh o em óptica. Ele sugeriu que conhecimento de veneziano. Desesperado para superá-lo, linguística eciênci a poderiamir além edar Galileu construiu em apenas 24 horas sustentação ao estudo de teologia, talvez em um telescópio que era melhor do que uma tentativa de acalmar a Igreja Católica qualquer um existente. Em vez de usar Romana. No entanto, o estrangulamento dalentes côncavas, que produziam duas Igrejacontinuou aengessa r os dese nvolvi uma imagem invertida, o telescópio de mentos científicos durante muitos séculos, com as autoridades católicas silenciando e até mesmo executando cientistas que se pro nunciasse m contra aversã o bíblica recebida
de eventos e fenômenos físicos. Saindo
do esc ur o
Nenhum tra balho original de importância sobre ópt ica eluz aparece u na Euro pa até a Renascença. Nos sé culos XVI e XVII, cien tistas destacados como Nicolau Copérnico (1473-1543), Galileu Galilei (1564-1642), Johannes Kepler (1571-1630) e Isaac New ton (1642-1727) finalmente desmantela ram o modeloaristotélico do universo que Galileu apresenta seu telescópio para Leonardo Donato, doge de Veneza em dominou científico durante 1609. quase2.000o napensamento os e estabeleceu asleis da mecânica e da óptica que permaneceriam Galileu tinha uma lente côncava e uma inalteradas por mais quatro ou cinco sécu convexa, e produzia uma imagem vira los. Destes, Kepler eNewton foram os mais da para cima. O senado foi convencido importantes para a Óptica. a deferir a decisão sobre a compra do Kepler, ummatemáticoe astrôno mo telescópio holandês. Galileu então pro alemão, acreditava que Deus construi u o duziu um ainda melhor que apresentou ao doge de Veneza, assegurando a vitó ria e a gestão em seu posto como do cente na Universidade de Pádua.
Selos húngaros comemorativos de Kepler e suas contribuições para a ciência do espaço.
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FAZENDO A LUZ TRABA LHAR - ÓPTICA
raios de luzque entram la pe universo decordo a commu pla no inteligí na refratando vel e que seus trabalhos podiam, portanto, pupila eos focaliza na retina.Ele explicou los funcio nam- elas ser descob ertos por meio da aplicaçã o dacomo sa lentes dos ócu obser vação e do raciocínio científ icos. Em já eram usadas há cerca de 300 anos, mas e os princípios bora ma is famoso po r seu extens o traba lho ninguémentendiarealment em astrono m ia, Kepler intro a técnica se u func iona me -, e ma qua os teles cópi os come çara mnto a ser isndo usados, por de traçar ios ra de luzpont oduzi au ponto a fimde de de terminar expl eicar ua s trajetó ria.Dis volta de 1608, ele também explicou como cou seu tra balho so, ele deduziu que o olho huma no funciofuncionavam. Keplerpubli
RENE DESCARTES, 1596-1650
Descartes nasceu em La Haye em Touraine, França, fi lho de um político local. Sua mãe morreu quando ele tinha apenas um ano. Embora inicialmente ele seguis se os desejos de seu pai estudando Direito e Ciência, Descartes abandonou o plano de se tornar advogado e dedicou-se ao estudo de matemática, filosofia e ciên cia, desenvolvendo um pensamento independente e fa zendo incursões no exército. Felizmente, ele tinha pos ses suficientes para sustentar esse estilo de vida. Ele foi chamado "pai da filosofia moderna", e seu desenvolvi mento das coordenadas cartesianas foi nomeado pelo filósofo inglês John Stuart Mill (1806-1873) como "o maior passo já dado no progresso das ciências exatas". Para a história da Física, o desenvolvimento filosófico mais importante de Descartes
Modelo de visão de Descartes, mostrando como os raios de luz chegam aos olhos e a informação é transmitida para a glândula pineal.
foi o modelo mecânico - ele se esforçou para ver todo o universo como sistemas mecânicos que seguiam um sistema de leis físicas. Descartes era sensível e sereno desde criança. Ele se levan tava tarde e dizia que seu melhor trabalho tinha sido feito em uma cama confortável (como ocorreu com o desenvolvimen to do sistema de coordenadas cartesianas, veja o box, página 55). Quando a jovem rainha Christina da Suécia o empregou como tutor e insistiu que ele ensinasse às 5 horas da manhã em uma biblioteca muito fria, bastaram cinco meses para Descartes adoecer, contraindo problemas pulmonares graves que o levaram à morte com apenas 46 anos.
SAINDO DO ESCURO
sobre ó ptica e m 160 3, quase40 anos antes paraampliar te xtos desdeo século XI. Len de Isaac New ton nascer. Embora o pri mei tes devidro polido eram usadas em óculos 80, embora no início ninguém ro teles cópio astronômicooss fe feito por desde 12 se como ou po r que funcio navam. O Leonard Digges na Inglater ra no início dos soubes oscópioe do teles anos1550 (veja apágin a 169 ), eles são ma isdesenvolvimento do micr associ ados o aalileu outro ho mem o cópio dura nte os sécu loscom XVI ma e ior XVII gerou astrônomo Gtrabalho G alilde ei (v eja o box a d ,pá a nece ssidade de lentes precisão. A medida que as técnicas de polimento fo gina 83). ram aper feiçoada s ao longo dos culo sé s, e lentes me lhores lev aram a mais descob ertas P o r meio d e u m vi dr o translúcido que n e tão pr ovocaram a dem anda por lent es As lentes mudam a trajetória da luz; elas lguns os d maiores cient is são as ferra mentas ópt icas básica s. Foram ainda melhores. A ta s d o Renasc imento e do I l umini smo, entre desenvolvidas muito antes de qua lquerum neiro belga do microscó ser a c paz de expli cá-las.O exemplomais aneles Galileu, o pio pio A nto nie van Leeu we nho ek (1632 17 23 ), tigo quefoi preser vado é o as d lentes Numo hol andês Chri stiaan mrad,feita s naAssíriaAntiga há 3.00 0 anose o físico eastrôno Huyge ns (1629-1695) fizeram suas próp rias usa ndo -se cristal de ocha. r L e ntes pare cidas foram usadas na Babilônia, no Egito Anti lentes. go e na GréciaAntiga, talvez ar pa aumenta r objetos ou como lentes ra pafazer fogo,fo P r essão n o éter lho de René D escartes sobre óp cando raio s daluz do sol.Embora os gregosO traba scre via o funcio namento do olho e e romanos enchesse m vasos de vidro esféritica de ria a primo ramentos ao telescópi o. Ele cos de gua á parafazer lent es, entes l de vidrosuge gias m ecânicas paraderivar mui feitas comormato f exigido só pa ssar am a usou analo tas propriedade s da luz matema ticame nte, ser e f ita s na d I ade Média. o. No O primei ro uso de um a lente paraorcinclusive as leis dareflexão erefraçã nto, ele fo i basta nte criticado por sua rigir a visão pode ter sido registrado enta pelo ar aexistência de um uo. vác autor oma r no Plínio, o Velho (23-27d.C.), recusame aceit cos com o Gassendi, que vislum querelato u queNero via osjogosde gladiaParateóri cuo co m átomos em movimento , dores on Coliseu por me io de umaesmer albrou um vá e icadacomo um feix e de da. Pedra s paraler - peda ços co nvexos dea luz podia ser xpl rápido movimentoquese cho vidro ou de cristal de rocha - eram usadas partículas em cavam no espa ço. Sem o vác uo, Desca rtes precisa va deum mecanismo diferente. Ele acreditava ue q algumtipo de “fl uido nters i ticial” fino - outraversão do éter - preen chesse do tos os espaços, e queera apressão exercida por esse fluidoque produzia a vi são. Logo, se a luz do sol penetra va no luxo f As lentes Nimrud, descobertas no Curdistão (norte do Iraque.
interst icial, essa pressão seria tra nsmitida instantanea mente pa ra o olho, podendo este perceberssa e luz.Elavia poucofunda mento 53
FAZENDO A LUZ TRABAL HAR - ÓPTICA
"[Descartes] era um homem sábio demais para se incomodar com uma esposa; mas como era homem, tinha os desejos e apetites de umho mem; portanto, ele mantinha uma boa e bela mulher, obediente, de quem gostava, e com a qual teve alguns filhos (acho que dois ou três). É pena, mas vindos do cérebro de um pai como ele, eles deveriam ser
durant e ma is de 400 n aos. Seu tra balho so bre força s e gravi dade vej ( a a página 84 ) talv ez
bem estimulados. Ele era tão culto que todos os homens cultos o visitavam, e muitos deles desejavam que ele lhes mostrasse sua loja de instrumentos (naquela época o aprendizado da matemática dependia do conhecimento de instrumentos, e como Sir Henry Savile disse, de se fazer truques). Ele puxava uma pequena gaveta sob a mesa e mostra va-lhes compassos com uma das pernas quebradas, e então uma folha de papel dobrado duas vezes, que ele usava como régua." John Aubrey, Vidas Breves
seja a fmoso doso que m oaistrabalho bre óp tica, ma s não mais importante. Newton dividiu com suce sso a luz bran ca em seu es pectro constituinte e entã o recombi nou os raios coloridos na paraessa teoria, uma vez que consi deram os luz branca , dem onst r a ndo co nclusi vame nte que o Sol é separado da Terra por150 mi que aluz branca éum mistode cores. Essa lhões de quilômetro s, ma s iss o estabe leceupossibil idadefoi notada muito ante s. Aristó a base pa ra um traba lho muitomais impor teles afi rma v a que um a rco -íri s é cau sado por tante deChristiaan Huyge ns (veja apági m como uma lent e sobre a luz na 58 ), filho de um gra nde am igo de Renénuvens quegea do Sol, uma expl icaçã o que també m era cei a Descartes , e isso evo l u Newto n a perseg uir l-Haytham. O filósofo roma no Lu sua s próprias idei as sob re o sasunto , mas emta por a ciusAnnaeus Seneca (c . 55 a.C. - c. 40 d.C. ) uma direçã o diferente. seguiuNaturales quaestiones como ref erência paraproduzir uma sé rie de cores pare cidas O SE NHO R DA LUZI ISAAC NEWTON àquelas de um a rco-íris, passando a luz do Sol Newton possivelmente foi o maior cientista por prisma s devidro.No tempo de Newton , de todos ostempos;ele setornaria o gigan no entanto,a maioria da s pessoa s acre ditava te em cujos ombro s os outros se apoiaram "A Natureza e as Leis da Natureza estão es condidas na noite; Deus disse: 'Que Newton nasça', e tudo era luz. " Papa Alexandre, 1727.
Pelo prisma do gênio: o trabalho de Isaac Newton sobre gravidade e óptica revolucionou a filosofia natural. 54
SAINDO DO ESCURO
UMA MOSCA QUE FEZ HISTÓRIA Descartes deu seu nome ao sistema de coor denadas cartesianas ainda usado para especi ficar um ponto no espaço tridimensional ao relacionar sua lo calização aos três eixos - x, y e z. Ele afirmou ter desenvolvido o sistema em 1619 enquanto estava deitado na cama observando uma mosca que voava no can to do quarto. Ele percebeu que a posição do inseto podia ser identificada exatamente a qualquer momento, plotando sua distância das duas paredes mais próximas e o chão ou o teto - em outras palavras, suas coorden a das em três dimensões. Dessa observação simples seguiu-se que uma forma geomé Ao traçar uma série de pontos em termos de suas distâncias dos dois eixos, a geometria trica podia ser representada por números cartesiana mostra uma equação como um (as coordenadas de seus cantos) e que uma gráfico curva podia ser descrita por uma série de nú meros relacionados uns aos outros em uma equação (daí uma trajetória parabólica pode ser plotada como um gráfico, por exemplo). Todo o sistema de geometria pôde ser investigado pela álgebra uma vez que Descartes viu e refletiu sobre uma mosca no canto do quarto.
Quando a roda de cores de Newton gira muito rapidamente, as cores são indistinguíveis e a
a luz, masproduziu apena s luz brancacom o brdas col oridas.
roda parece ser branca.
Newto n fa teve suce soe us o node Hooke lhou po rsqu u um equ ipame nto supe rior. Ele fez um pinho le em umatela preta paraixar de que aluz colorida fo sse um fino eixe f de luz en uma orma f desombra , trar emsuasala emTrinity forma da misturand o-se luz Colleg e, na Univ ersida de de brancacom securidã o. Des Cambri dge, e us ou umprisma cartes pensava que cor afosse de vidro apidado l co m precisã o causada pelo mov imen to gira tório para dividir o feixe,captand o umaima das partí culas que mpunha co m a luz. O ge m sobre outra a tel há vár ios metro s de dis granderival intelectual de Newton,Rovert permit ir esp aço suf icienteparaos Hooke, pens ava que acor o f sseimpressa natância. Ao oridos se espa lhare m adequadamen luz,como qua ndo bri lha por me io de um vi feixes col u umespectro clar o. tral.Ele tento u usar um prismapara divi dirte, ele produzi 55
FAZENDO A LUZ TRABA LHAR - ÓPTICA
"Se eu vi além, foi por me apoiar nos om bros de gigantes."
Isaac Newton, em uma carta pública a Ro bert Hooke, escrita por insistência daRoyal Society para sanar - ou encobrir - a rixa entre a dupla.
com Hoo ke eraobsess ivo, mas não o único; várias outras pessoas despertavam sua ira e acidez. Afama de Hooke teria sido maio r se ele nã o tivessetido a má sorte de morr er antes deNewto n, que es apropriou deuma
descob erta de le, os cha mados anéis de res co de Newton vistos em filmes finos de óleo na água. De fato, N ewton gua rdou seu pró Óptica , delibelho sobre luz e cor, Newtonlevou suadedicaçã o à ópti ca ex priotraba radame nt e dura nt e 30 an os, só o publi cando perimental ara p laém dosimi l tes da sensa ke esta r mortoe incapa z de tez. E m um famoso rel ato de autoagressão, depois de Hoo di sput a r a autori a. ele int roduziu uma gulha a lo nga e afiada (agulhapassa dora) no g lobo ocula r, pres d e H ooke sionandoa o máximo paratrás u qe podia,M icrografia sem perfurar o lobo g ocular, na tentativ a de O traba lho mais famoso deHooke Mic é rodistorcera forma o d globo e ver com o isso graphia,publ icado em 166 5. Era um bom afeta vaque suaobj percepção da cor. N ewto peraexemplo de ra como desenvolvimentos em cebe u etos co lorido s parece mn ter óptica levaram pidame n te a de senvo lvi cor que têm rpocausada luz que lees ref lementos em outras rea á s da ciência, princi tem. P or exemp lo, umacapa vermelha pare palme nte bi ologia e astrono mia. Embora ce servermelha po rque re flete luz e vrmelha,Hooke não fosse o primeiro microscopisenqua nto uma ca misa branca reflete toda ta, el e trouxe a microsco pia para a ciência luz. Ele tambémssocio a u graus diferentes convencional e fez aprimo ramento s tanto de refraçã o com co res diferentes. no desig n do m icroscópi o quanto do te Apesar dessa dedicação admirável à lescópio.Micrographia co ntém de senhos ciência, Newto n eraum homemdifícil, ar de objetos, materiais orgânicos organis e rogante e questio nador.Seu antag onismo mos minú sculos vistos pelo micro scópiode "Peguei uma agulha-passadora e coloquei-a entre meu olho e [o] osso o mais perto [do fundo] do olho que pude: e pressionando meu olho [com a] ponta (de modo a fazer a curvatura abcdef em meu olho) apareceram vários círculos escuros ecoloridos r, s, t, e c. Os círculos ficavam mais achatados quando eu continuava a esfregar com a agulha pontiaguda, mas se eu mantinha meu olho parado com a agulha, embora continuasse a pressionar meu olho [com] ela, no entanto [os] círculos apagavam e muitas vezes desapareciam até que eu [os] removesse movendo o olho ou [a] agulha. Se [o] experimento fosse fei to em um quarto iluminado para[que] meus olhos fechassem, uma luz entrava pelas pálpebras. Aparecia um grande círculo e scuro azulado maior (como ts), e [dentro] daquele outro ponto de luz srs, cuja cor era muito parecida [àquela]no resto do olho como emk. Dentro do ponto aparecia ainda outro ponto azul r especialmente se eu pressionasse meu olho for temente e [com] uma pequena agulha pontuda e no extremo em VT aparecia à margem da luz."
Caderno de Newton, CUL MS Add. 3995.
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SAINDO DO ESCURO
";fr ~1 Hooke. As ilustra ções deta lhada s - algu mas desenhadas pelo arquit eto Christopher o p t i ck s LfWN1;m . ' Wren - eram revolucionárias, to rnando a OK, A Micrographia um dos livros científicos mais TREATISE importantes pub licados atéhoje. Samuel ......
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Pepys lembr amadrug em seu lee “foi ficava flexions, Refratfions até duas da adadiário lendo,que e que o ReInfle xions and Colours livro mais inv entivo que eu já li em minha vida”. LIGHT.
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F ourth Edition , co ‘The rrtt feJ.
ISA A C N£ W?0N, uma coi sa éreconhecer que a luz branca é um composto de luz co lorida, ma s isso en L O N D ON t tão lev anta aquestão do que éa luz colori Primed for I at the WeftS Pauls. M . End of da. Opiniões div ergentes sobre aseluz seria forma da departículasu oseseria algum tipo By Sir
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Página de rosto do tratado de óptica de Newton, publicada em 1704.
de onda são encon trada s nos pri meiro s esEuropa, muito temcritos indianos sobre ciência. Na po. Em outro s luga res daEuropa, co ntu Empédocles sug eriu ra ios e Lucréciofalou do, a arrogânci a deNewton e suanaturez a de pa rtículas,e o deba te continuou através questio nadora o tornara m impopular, e isso, de séculos; H ooke, seg uindo Descartes, no mín imo, afetou aaceitação de seu mo adotou a visão de qu e a luz é uma forma delo corpuscular. New ton rejeit ava a teoria de onda. E stefoi ainda outronto po de disda onda po r acredit ar qu e uma onda n lo córdia com Newton, que e screveuobre s osgitudinal (v ibrando na direçã o da propaga “corpúsculos” (i.e. partículas) de ção) não po dia re sponderpelapolariz ação. luz, umaideia propostapela //í V, Ninguém considerou possibil a idade ed primeira vez por Gassendi e — sj} ondas transversa is (que vibravam na dire lida porNewton nosanos 1660. /' ção um da pro pagtravessado aç npela ace itou Newton não teve rgande res de éter aão).Newto luz, uma ideia me io paldo nanglaterra I dura nte através do qual aluz pass a, embora issonão fosse stri e tamente nece ssário parasua teo ria corpuscula r, pois as partículas po diam pass ar igualment e bempor um vácuo.Ele também credit a ava qu e os corpúsculo s de luz oscilavam ntre e duas fases conhecidas como “reflexo fácil” e “transmissão fácil”. A perio dicidade éum aspec to básico da teoria das ondas, nisso e ele antecip ou a mecâni ca quânti ca (veja apágina126). Embora o nome de Newton seja associad o à teoria corpus cula r, seus próprio s escritosnco i rpo ram aspectos de am bas sa ideias. 57
r
1 FAZENDO A LUZ TRABALHAR - ÓPTICA
Por exemplo,ele x eplicou a difração su gerindo que os corpúscu los de luzcria vam onda s localizada s no éter. E interessante que isso ocoloca m ais pertoda visão moderna da “dualid adeda luz” - queela temquali da destant o de uma onda qua nto de uma par tícula.
Representação de uma pulga ampliada da Micrographia de Hooke.
"[Hooke] é de estatura média, um pouco curvado, face pálida, e seu rosto um pouco voltado para baixo, mas a cabeça é grande; olhos grandes e vivos, e não são rápidos; olhos cinza. Ele tem cabelos castanhos finos, lindamente encaracolados. £ e sempre foi muito comedido, moderado na dieta etc. Por ser uma cabeça prodigiosa, inventiva, é uma pessoa de grande virtude e bondade. Agora quando eu disse que sua faculdade inventiva é tão grande, você não pode imaginar que sua memória seja excelente, pois são como dois baldes, quando um sobe, o outro desce. Ele certamente é o maior especialista em mecânica do mundo nos dias de hoje. Sua cabeça pende muito mais para a geometria que para a aritmética. Ele é solteiro e, acredito, nunca se casará. Seu irmão mais velho deixou uma filha legítima, que é sua herdeira. In fine (o que coroa tudo), ele é uma pessoa de grande suavidade e bondade. Foi o Sr. Robert Hooke que inventou os relógios de pêndulo, muito mais úteis do que os outros relógios. Ele inventou um mecanismo para o trabalho veloz da divisão etc., ou a descoberta acelerada e imediata do divisor."
John Aubrey, Vidas Breves.
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Fr ent es de ond a e qu an ta Na Europa, Chri stian Huygens de senvol veu a teoria da frente de onda. Sua teoria da luz foi complet adaem 167 8, ma s ele não a publicou até 1690 e se baseou em ssua próprias de scoberta s experimenta is. Como Desca rtes,quevisitava regul arment e a casa de Huygens qua ndo menino , ele co nside
rava a luz como uma onda paga proda pelo éter. Ele prev iu que aluz atravessava um meio denso m ais lent amente que um meio menos de nso. Isso foi sign ificativo, pois - ao contrário de Descartes - ele setavadizendo que avelocidade da luz é finita. A teoria das frentes de onda de Huy gens expl ica comoas ondas evo luem e se compo rtam qua ndo encont ram obstáculos - sendo re fletida, refrata da ou difratada . Ele sugeri u que cada posição em uma ond a se tornao centro dema u ondícula viajando em todas as direções. No caso da luz, que écon siderada um fenôme no pulse, nda o s repet i das era m emit idas eseguiam parara, fo co m a velocidade da luz.A onda deluz é propa gada pelo espaço tridimensi onal na fo rma de uma onda érica. esf Na borda de uma região atingida pelos raios de luz,as ondí culas interf eremumas nas outra s e podem es cancelar mutuamen te. Se colidem em um objeto opaco, partes da ondí cduzindo ula sã o co s e algum tem, pro a rtada complexa strutura e as persis ina f de li nhas na s bordas da s sombras im e agens queformam padrões de dif ração. A opinião
FRENTES DE ONDA E QUANTA
ROBERT HOOKE (1635-1703) Hooke nasceu na ilha de Wight, onde seu Bethlehem Royal Hospital - o famoso asilo pai era pároco auxiliar da Igreja de Todos os para loucos mais conhecido hoje como "BeSantos, em Freswater. Hooke foi para a Esco dlam". la de Westminster em Londres aos 13, quan Ele foi um pensador inventivo, um cien do seu pai faleceu, e então para a Christ tista e um mecânico dedicado a experimen Church College, Oxford, como corista. Se tações, criando inovações e a aprimoramen fosse mais saudável, Hooke estaria destina tos de muitos aparelhos existentes, entre do a seguir carreira na Igreja, mas ele optou eles a bomba de ar, o microscópio, o teles pela ciência, tornando-se assistente do quí cópio e o barômetro, e foi pioneiro do uso mico Robert Boyle em Oxford. Hooke voltou de molas para relógios de pêndulo. A maior para Londres em 1660 e se tornou membroparte de suas ideias foi desenvolvida poste -fundador da Royal Society em 1662. Como riormente por outras pessoas, tendo Hooke primeiro curador da Society, Hooke foi en fornecido a mola propulsora essencial, mas carregado de demonstrar "três ou quatro recebido poucos créditos por isso. Ele che experimentos consideráveis" por semana. Ele fez estudos extensos com o microscópio,
gou às teorias sobre combustão e gravidade, sugerindo a lei do quadrado inverso em rela
publicando desenhos do que via em Micrographia (1665) e cunhando o termo "célula"
ção à gravidade em 1679, a qual foi funda mental para o trabalho do próprio Newton
para os componentes do tecido vivo (assim
sobre o assunto. Newton nunca permitiu qualquer sugestão sobre a precedência ou o
chamado porque os "poros" que ele via na fibra de milho o lembraram dos espaços ou
brilhantismo de Hooke, e a sombra da ani
"células" que os monges ocupavam). Hooke
mosidade de Newton negou a Hooke seu
foi um dos dois pesquisadores de Londres empregados depois que a cidade foi destruí
lugar merecido na história. Não se sabe da existência de nenhum retrato de Hooke.
da no Grande Incêndio de 1666, um posto que o tornou rico. Ele também construiu o
Parte da paisagem devastada de Londres após o Crande Incêndio de 1666.
59
FAZENDO A LUZ TRABAL HAR - ÓPTICA
O telescópio aéreo de Huygens tem uma lente focal longa, o que é obtido distanciando a objetiva do olho e usando um cordão para alinhá-los.
cient ífica édividida qua nto à descoberta de Huygens do rin pcípio, se e sta seriaum lampejode genialidade ouesteria sido sorte e ele et ria cheg ado àrespost a certa por razõ es erra das. Durante o século XIX, vários cientistas trabalhando em dife rentes pa íses europ eus setabe leceram a teoria de quea luz é uma onda transv ersa l (vibrando em um ângulo reto ou perpen dicular à direção depropagação e viajando , como umacobra que rastejapelo chão). Em 1817, o fí sico francês AufustinJean Fres nel (1788Christian Huygens, 1671.
60
1827) apresento u suaprópria teoria daluz para Aacadémie des c Sience s, e por vo lta de 1821 ele most rou que apo lariz ação podia ser xplica e da somente sea luz abranges se as ond as transv ersas,sem vibração longitudinal. Isso respondeu objeçã à o ao pri n cípio de Newton a re speito da luz como o nda. Fresnel é mais conhecido como o in ventor das lentes que levam seu nome, e dstinada s origi nalmente a aume ntar o e fixe quebrilha dos faróis.
UMA NOVA AURORA - A RADIAÇÃO ELETR OMAGNÉTICA
Padrão de interferência produzido quando a luz brilha através de duas divisões, apoiando a teoria ondulatória da luz.
apena s part e de um espectro de radi ação eletro magnética (EMR), e atua lmente se sabe que este b a rangeraios gama, raio s-X, luz ultravio leta, luz visível, infravermelha , micro -ondas, nda o s derádio e ondaslongas. é
Thomas Young
O EXPERI MENTO
DE DO IS ORIF ÍCI OS DE
Um a nova aurora - a radia ção Em 1801, Thomas Young conduz iu umeletromagnética experimento que pare cia provar defi nitiva Foi James lerk C Ma xwell(1831 -1879) quem mente que a luz é umaonda. E le iluminou mostro u pela pri meira vez que ra adiação dois orif ícios que tinha feito. Em vez deeletro magnética consiste de onda s transver Y oung
ver soma dos resultados dos isolados, experimen como sa energi a que movem adiação veloci tos afeitos com orifícios es dais dede daluz. Os difese rentes tipo scom dera pera do, ele noto u um padrã o complexode eletromag nética -queincluem luz a e onda s difração, causado pela int erferência entre de rádio - são caracter izados por diferente s a luz dosdois orifí cios.Quanto ma is orifí compr imentos de ond a. De fato, o físico n i cios ele crescentava, a isma compl exo era glês o Mich ael Farada y (1791 -1867) á j tinha padrã o de interferência.ssIo demonstra va demonstra do a ligação entre eletro magneque aluz é, de fato , uma ond a, com baixas etismo e luz em 184 5, quando mo strou queo picos de ondas se anulandoou sereforçanplanode polariz ação deum feixe de luz so do pa ra produzir pa drões deinterferência.fre rotação por um ca mpo ma gnético (veja o Young também propôs que cores diferentes box, p ágina 11 5). de luz são o resultado de comprimento s de Maxwel l ainda supunha a existênci a de ondas di ferentes, um pequ eno passo paraum éter lumino so peloqual todas as for percepção queriavia acontecer ma is tarmas de ra diação eletromagnéti ca devem se de, no século XIX, de qu e a luz quevemosmover. Oéter ra e diferente ed qualquer 61
M
1 FAZENDO A LUZ T RABA LHAR - ÓPTICA
coisa, no sentidode ser um contín uo ver dadeiro - era infinitamente divi sível enão eraformado de partículas stint dias com o a matéria norma l. Não só o éter era infinita mente di visível, mas também era o m as on das de deMaxwel energia que viajavam por ele. teo ria l aprese ntava probl emasAque só foram resolvidos qua ndo Ma x Planck mostrou que a energiavedeser emiti da em quanti dadesminúscul as, m as finitas, g aora chamadas quanta. (C aso contrário , por ra zões complexas, toda aenergia no universo seria transf ormada m e ondas ed alta fre quência.) Albert Einstein demonstrou em 1905, em seu trabalho sobre efeito fotoelétrico (veja o box na página 63 ), que a própria luz se compo rta como se ss fo e formada porJames Clerk Maxwell quanta, ou minúsculo s “paco tes” deener gia, agora cha mados ó f tons. Ele us ou o qu e atua lment e nos re ferimo s como constante comport a como uma onda sevez à es como de Planck para relacio nar a energ ia de um uma partícula.E útilter ce rta previsibilida fóton à suafrequê ncia. de qu ando aconteceráum ou u o trocaso, e a A luz é agora considerada como tendo a mecâ nica quâ ntica pode prev er exatam ente duali dade dapartícula de onda:às vezes se isso(vejaa págin a 127). O f i m d e u m éter
: o
EXPE RIMEN TO D E MlCH ELSO N-
M orley
Nosso entendimento normal de umaonda é que lae precis a atravessa r um meio, como ar ou água. Da mesm a forma, supô s-se queas ondas de luz dev em atra vessa r o éter lumino so de modo similar.
A primeira fotografia em cores já produzida foi tirada por James Clerk Maxwell em 1861 e mostra uma fita com padrão xadrez. 62
UMA NOVA AURORA - A RA DIAÇÃO ELETROM AGNÉTICA
O EFEITO FOTOELÉTRICO
Quando Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel em 1921, não foi por suas ideias mais famosas - as teorias da relatividade mas por seu trabalho sobre o efeito fotoelétrico. Ele explicou como um fóton (em bora não chamado dessa forma na época) às vezes era capaz de empurrar um elétron para fora de sua órbita em volta de um átomo, gerando uma explosão de energia minúscula. É assim que os painéis de ener gia solar fotoelétrica geram eletricidade a partir da luz do Sol. Os elétrons que a luz do Sol expulsa de um material semicondu tor como o silício podem ser impulsiona dos ao longo de um arame e então serem deslocados para realizar um trabalho útil ou ser armazenados para uso posterior. O efei to fotoelétrico foi registrado pela primeira vez pelo físico francês Alexandre Becquerel (1820-1891) em 1839. Ele observou que quando a luz azul ou ultravioleta incide so bre certos metais gera uma corrente elétri ca, mas ele não sabia como ela funcionava. Einstein tomou a ideia de Max Planck de quanta, srcinalmente aplicada à energia de átomos, e usou-a para descrever peque
Uma primitiva célula fotoelétrica, produzida no desenvolvimento da televisão.
energia suficiente para empurrar um elétron para fora de sua órbita e liberá-lo, gerando uma corrente elétrica no processo, os fótons de luz vermelha não fazem isso. Alimentar a
nos pacotes de energia de luz - os fótons. intensidade da luz vermelha não ajuda, pois A quantidade de energia que um fóton re os fótons individuais de luz vermelha não es presenta depende do comprimento de onda tão preparados para o trabalho. da luz. Enquanto os fótons de luz azul têm Fótons caindo sobre a superfície só empurrarão um elétron se tiverem energia suficiente: a luz vermelha não produzirá uma corrente, mas a luz azul ou verde produzirá. elétrons
Potássio - 2.0 eV necessários para ejetar elétrons
IM F
1 FAZ ENDO A LUZ TRABALHAR - ÓPT ICA
O fim do étercaabou vindocomo reO equipamento de Michelson-Morleu para medir sultado de um experimento realizado ema velocidade da luz foi projetado com a intenção de provar a existência do éter. 1887 por dois ísi f cos america nos, A lbert Michelso n (1852 -1931) e Edw ard Morley (1838 -1923 ). Se o éter xistia, e oscienti stas supunham, ele dev eria preencher o ço espa ao m da Terrarelati vo ao éter transpo rtar a luz do Sole das estrelas para atectar o ovimento Terra. Em 1845, o ífsico inglêseorg G e Ga examinandose avelocidade da luz em dife briel Stokes (18191903 ) sugeriu que , como arentes momento s e direções. nstruíram mu Terra stá e semovendocom g rande velo cida Michelsone Morley co de no espaço, deve ha ver um efeitodevidoaoequipame nto paramedir avelocidade daluz arrast ar denosso p lanet a à medi da quepass acom tanta precisão que se ria capa z de de pelo éter . Em qua lquer pontoda supe rfície tectar o efeito do éte r, se pres ente. Oapa idia um feixe de luzem dois daTerra , a velocidade ea direçã o do “vent o”rato deles div do éterdeveri a variar depende ndo da hora do feixes que se moviam em ngulo â s retos,um dia ou no; a portanto,deveria se r possível deem direçã o ao outro,voltados paraoisd es pelhos.Os feixe s eramrefletidos para trás e para afrent e a uma "[O éter] é a única substância de cuja dinâmica temos distânc ia de 11 m (36 pés), antes certeza. De uma coisa estamos certo s, e é sobre a reali de sere m recombi nados no lho o dade e substancialidade do éter luminoso. " humano . Se a Terra sti e vesse es William Thomson, Lord Kelvin, 1884. deslocando pelo éter, um feixe 64
UMA NOVA AURORA - A RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA
Se a Terra fica suspensa no espaço vazio ou se move pelo éter era um ponto de discordância entre os primeiros cientistas.
movendoem para ao ao fluxo o d éter varia maisse tempo paralelo voltar detector dole queum feixe mov endose perpendi cular oa éter . Se um feixe se de slocasse mais lenta mente que o outro , isso dev eria parecer a sna interferências produzidas ando qu os feixes se recombinasse m. Todo o apa rato foi cons truídosobreum bloco demármore,lut f uan do emuma banhei ra demercúrioinstalada no porão de um edifício paraeliminar o máximo possí vel qualquervibração que
O interferômetro de Michelson (veja a página 66) pode ser usado para produzir a interferência colorida da luz branca.
pud esse erfma erir nosque es rultad equi pame ntoint era is do nsí seovs.elOpara de tectar o feeito que se ria espera do se a Terra estivesse realment e sujeitao avento riundo o do éte r. Sem obter esultados r siti povos es-
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FAZENDO A LUZ TRABALH AR - ÓPTICA
Um interferometro de Michelson funciona dividindo um feixe de luz em dois, então refletindo e recombinando os feixes resultantes.
tatisticame nte re levantes, Michelso n e Morley tiveram de relat ar o ra f casso de eu s ex perimento . Outros sepusera m a refinar o aparato, mas mesm o assim nã o encontra ram evidência deter. é C laramente, o expe rimentode Michelson e Morley nã o tinha fracassado. Tinha mostrado queãonexiste éter luminoso . Infelizmente, a conclu são de Michelson não foi queo éter ão n existia, mas queo modelo de um éter stacio e nário que conf ere o arra sto da luz (a hipó tese o dJúpiter e sua lua lo. Eclipses de Júpiter por suas arrasto do éter) proposto por AugustinJean luas convenceram Huygens de que a luz viaja a Fresnelerao que es tava correto .
66
uma velocidade finita.
COM A VELOCIDADE DA LUZ
c A velocidade da luz é representada pela letra
"c"
(como em
E=mc2), que significa o termo em latim, ou seja, rapi-
celeritas
dez ou velocidade.
A convicção de Huygens de que a velo cidade da luz era finita seg uiu observações Já em c.429 a.C., Empédocles acreditava lo cienti sta holandê s Ole Romer que aluz viaja a umavelocidadeini f ta, emfeitas pe Com a velocidade da luz
bora pareçachega r inst antaneame nte. No (16441710 ), traba lhandoem Paris co m o entanto,ele fo i umaexce ção notávelentreastrônomo Giovanni Cassini (1625-1712), s pensa dores ntigos, a pois a maioria conco r nascidona Itália, depois dever eclipses da d Júpiter. Cassinie Romer notara m dava comAristó teles que velo a cidade d a luzluas e que, embora os cli p e ses de vessem ocor erainfinita. Os cienti stas ra á bes Avicenna e rer em interv alos regulares, nem sempre al-Haytham concordaram com Empédocles, eles era m pont uais - e a variaçã o dependia bem como Ro ger eFrancis Bacon. Mas avi a a Júpiter. Eles são prevalece nte m esmo no sécu lo XVII, na da posição da Terrarelativ concl u í ram que qua ndo a Terraestámais Europa, e mantida por Descartes, era que a distante deJúpiter, vemos o ecli pse m ais velocidade da luz era infinita. is tempo para luz a A primeira tentativa de questionar esse tarde,porque leva ma pressu posto e medir a velocidade daluz alcançar Terra a . Cassin i afiem rmo 16 76 pos tu em aparen foi feita por a Glileu em 1667, usa ndo umque sa discrepâncias nos es eclip ses pod iam serexplicadas se método bem primitiv o. Galileu eum assis tes dess ajass e a uma velocidade ini f ta. Ele tente a 1,6 quilômetrode distânci a se re a luz vi pro sseguiu ra pa ca l cul ar que lev aria cerca vezaram cobrindo e descobrindo lanternas de 10 ou 1 1 minuto s para a lu z viajar do e medind o quanto tempo evava l pa ra eles rém não pro sseguiu na notare m a luz. Provavelmentefoi umame Sol até a Terra, po investi ga ção e oube c a Romer ca lcular a dida melhor davelocidade desuas rea ções do qu e outracoisa. G alileu concl uiu quesevelocidade da luz com exatidão. Ele previu nte o tempo exato de um clipese a velocidade d a luz nã o erainfinita, certacorretame 9, dizendoqueaconteceria mente eramuitoalta - provavelme nte pe lo da lua Io em 167 10 minut os depoi s do queo esperado. ra T menos dez vezes vel aocidade o quebalhandoa parti r da melho r estimativ a do foi medida pela primeira vez d pe losom, filóso diâmetro da órbit a d a Terr a , ele calculo u fo e matem ático francês Marin Mersenne que avelocidade daluz seria de200.000 km (15881648) em 16 36. 67
FAZENDO A LUZ TRABAL HAR - ÓPTICA
por segundo. Usando -se odado atual para aEm 1678, Huygens usou o todo mé de órbita daTerrana fórmula ed Rome r, tem-Romer pa ra most rar quea luz leva segun -se 298.000 km por undo, seg queé notaveldos pa ra viajar daLua até aTerra . Newto n mente próximo do valor obtidona atualidaafirmou em Principia que a luz leva sete ou de, de 299.792. 458 kmpor segundo. (Estaoito minuto s paracheg ar à Terrapartindo velocidade não será mudada por trabalhos do Sol , o que ébempróximo dodado real de futuros, po is o co mprimento de um metro 8 minutos e 20 segundos,em média. é determi nadocomo adistânciaviajadapela Newton e outros supuseram ue aqvelo luz em 1/299.79 2.458 edum segundo.) cidade da luz vari asse de pendendo do me io RAIO DE CALOR DE ARQUIMEDES
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De acordo com a tradição, o cientista, ma temático e engenheiro grego Arquimedes (c.287-c.212 a.C.) teria montado um arran jo parabólico de espelhos na costa para usar
parecido realizado em 2005 por um grupo de estudantes do Massachusetts Institute of Technology (MIT) também ateou fogo em uma maquete de navio sob condições climá
a luz do Sol para incendiar navios inimigos durante o Cerco de Siracusa (c.214-212 a.C.). Um experimento em 1973 em uma base naval perto de Atenas usou 70 espelhos revestidos de cobre de 1,5 m por 1 m para direcionar a luz do Sol a uma maquete em compensado de um navio de guerra roma no pintado com verniz a cerca de 50 m de distância. O navio ardeu em chamas em questão de segundos. Um experimento
ticas perfeitas. Embora essa técnica, usar lentes conve xas para fazer fogo, aparentemente use a luz, claro que não é a luz branca visível que incendeia ou queima os navios, mas a ra diação infravermelha invisível (calor) que a acompanha na luz solar. Arquimedes queimando um navio inimigo com o uso de um espelho; de fato era necessário mais do que um espelho!
COM A VELOCIDADE DA LUZ
peloqual elaviajava.Se a luz fossecompo s ta por partículas, isso aria se f ntido. Se a luz é umaonda, nãoé necessari amente este o caso. Nem todos icara f m convencido s com os cá lculo s de Huygens,e a opinião a res peitoda velocidadefinita ou infinita daluz perma neceu divi dida té a que o astrôno mo inglêsJames Bra dley (16931762 ) decidi u a questão dema u vez po r todas em 172 9. Ele desco briu a aberra ção da luz(també m cha madaaberra ção estel ar). Este éo fenôme no de uma setrel a parecendodescrever um pequeno rculo cí em torno de suaverdadeira posição como resu ltado davelocidade da Ter ra (velocidade edireção) em relação estr à e la. O estudoevo l u ma is de 18 anos para rse completado. Dois franceses posterio res re criaram o experimento de Galileu com lâmpa das eaju dantes, ma s de uma forma bemsofisticada. Em 1849, o físico ppo Hi lyte Fizeau (18 191896) usoudua s lant ernas,uma rod a emrá pida rotaçã o com dentes que alternadamen te vedavam e revelavam luz a , e um espelho que arefletia.A luz podia ser ca lculada a partir davelocidade da rotação da roda. A o girar umaroda com cem dentes várias cen
MANTO DE INVISIBILIDADE
Durante a década de 1990, os cientistas desenvolveram metamateriais com um índice de refração negativo. Este índice de um ma terial determina o quanto de luz incidente será refratado. Um vá cuo tem um índice de refração de 1 m, e materiais mais densos têm índices de refração mais altos. Em 2006, metamateriais foram usados no primeiro mecanismo de camu flagem, fazendo um objeto pare cer indetectável por micro-ondas. As partículas de metamaterial de vem ser menores do que o com primento de luz de tal modo que a luz flua em torno delas, como a água flui em volta de uma rocha em um riacho. Até agora, um dis positivo de disfarce que funciona com ondas de luz e tem mais do que alguns mícrons ainda não foi aperfeiçoado.
tenas vezes po r se gundo, ele oi f capa de medir ade velo cidade da luz a cerca de z1,6 mk por se gundo. Léon F oulcault (1819 -1868), cuja fam a osc ilou muito, usou um princípi o parecido. Ele proj etou um feixe de luz em um espelho girandoe inclinando,então re batendo para musegundo espe lho colocado a 35 km de distânci a. Quando o âng ulo do espelhoque setava irand g o muda va, ele era capa z de calcul ar o âng ulo em quea luz que retornava ra e refletida novamentee, por tanto , determi nar a distância qu e o espe lho itnha se movido e q uanto tempo nha ti se passa do. Em 186 4, Fizeau sugeriu que o “comprimentode uma onda deluz o f sse 69
FAZENDO A LUZ TRABAL HAR - ÓPTICA
O manuscrito srcinal com a explicação de Ibn Sahl da lei da retração, c. 984.
usado como comprimento padrã o”, e pa ra redef inir o metro em te rmos daveloci dade daluz que foi atingid a efetivamente. Einstein base ou su as teo rias darelati vidade na ob servaçã que a velo cid ade daluz oé de co nstante em todo o universo. O bjetivo
e ve r dadei r o
Anaxágoras já estava certo, no sécu lo V a.C., de que a luz viaja ape nas e m linhas - J & tljC sík M ) retas,e essa crença man se teve até o século XX, quan do Einsteindisse qu e a luz
£ ls& - r
podia sercurva incl inadala uma trajetó ria peem gra vi dade. Co ntudo, estavaclaro para os antigos blicou. Descartespubli cou umaprova da lei que a luz pode muda r de direção -quandoem 1637. A Lei de n Sell funcio na porque , elaé refletida, por exemplo,ou qua ndo é er como omatemá tico francês Pi erre de Fermat fratada, à medid a quese move deum meio(1601 -65) mostrou, a luzma to a trajetó ria para outro . Ptolomeu fez umrela to aproxi mais rápida por meio de qualquer substân cia. mado da refraçã o, e estafoi descri ta em984 Pela prime iravez no início do sé culo XX pelo ísico f persa Ibn Sahl (c.9401000). confirmouse qu e a luz segu e uma trajetó Entretanto , a lei matemá tica que expli ria cur va; essa confirmaçã o fez parte de uma ca e predi z o ângulode refraçã o é conhedemonst ração dateoria darelatividade de cida como ei L de Snell, em homena gem ao Einstein. astrônomo hol andês Willebrord Snellius O astrônomo Arthur Eddington con (1580 -1626). Embora Snellius redesco- duziu umaexpediçãongl iesapara aIlha de brisse essa relação em 1621,e el não apuPrínci pe, na costafricana a , para aprov eitar
COM A VELOCIDADE DA LUZ
um eclipseolar s total visível na quele local O LUGAR DA LUZ NO ESPECTRO EM R em 191 9. A expediçã o fotografou estre las A luz ocupou um lugar especial na histó situadas pe rto da posição doSol que, nãoria da sica fí porque elavisív é el e faz uma fosseisso,seriam obscure cidas pela luz so diferençaenorme pa ra ahuma nidade. Mas lar. U ma estrel a que fica realment e atrás do como o raba t lho de Maxwelldemonstrou, a Sol, e por o el nãoem dev eria da se rs vista, visível é p aena s umaforma deradiação clarame nte iss vi sív uma fotos es titava ra luz eletromagnéti ca. Todasas forma s se movem das por E ddingto n. Isso demonstro u quea à velocidade d a luz, todas sã o formasquan luz da estrela tinha e inc s linado pelocam tificadas deenergi a (ou seja, elas podem po gra vitacional do ol S e isso inh t a alteraexist ir como partículas u oonda s), mas a luz do a p aarente posi ção da estrela aum ponto visível é a única que vemos. Não houve ten onde então ela ra visív e el. tativ a de distinguir o calo r do Sol sua ( ra diaçã o de inf ravermelho) de sualuz vi sível. Outra s forma s de ra diação eletro magnética O artista David Hockney pintou uma série de o raios-X, ondas derádio e microondas telas de piscinas em que brincou com a retração com e a reflexão da luz tingindo o ar e a água. só foram descobertas no século XIX.
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CAPÍTULO 3
Massa em movimento
-
MEC ÂN ICA
Mecânica é o termo usado para crev er des amaneira como os corpos agem quan do suj eito s a for ças. Ame cânica clássica com eçou ef etivamente quan do Newton descreveuassu três lei s do m ovimento. T rata de açõe s de corpos e matéria de todo s os ti pos e tama nhos acim a do atômico, desde rolamentos e esferas d a galáxias, incl uindo quidos, lí gasese sóli dos, o bjetos inanim ados e partes de organismosAs vivos. pessoas usavam as forçassifí cas n a práti ca m uito antes deet rem qualquer entendimento sobre elas, ou me smo de começarempens a ar n as lei s que asov gernam . Os primeiro s construt ores usavam alava nca s e rold anas para mover gran des blo cos de pedr as; elesemprega vam a gravidade para colocar as coisas no lugar e para verificar a perpendicular usando fios de prumo.
Céres e os Quatro Elementos, por Jan Brueghel o Velho, 15681625.
MASSA EM MOVIMENTO - MECÂN ICA
Os egípcios podem ter usado na Antiguidade dispositivos mecânicos como alavancas e roldanas para ajudar a mover os blocos de pedra necessários para construir as pirâmides.
O crescent e fértil é uma ráea quese es Me cânica em ação o até o Golfo Pérsi Sempreque usam os as forças que em ag sotendedo Mediterrâne nge sa terra s entre os rio s bre amatéri a, esta mos a fzendoas leismecâ co. Nototal, abra Tigre eEufrate s - conhecida pelos gregos nicas traba lharem por nós. sOconstrutores de pirâmid es eg ípcias não ti nham, pelo quecom o Mesopotâmia (entre e ois d sãorios) , -ia in e a Sír sabemos, qualquer entendimento das for cluindo áreas que atualment vo da terra re alizado nes sa ças envolvidas para m over blocos de pe drao Iraque. O culti 0 anos trás, a e pelos e construi r as pirâmides, nem o s arquiteto s área por volta de 10.00 sumé r io s 500 0 a.C , l evo u a o a pareciment o dos complexo s sist emas de irri gação usa dos ndo-se mé no Sr i Lanka tinhamonhecime c nto forma l das primeiras cidades, emprega todo s de cortar, mov er e empil har gra n da dinâmica dosluido f s. No entanto , ambas s de pedra . Os sumé rios também as cult uras oram f capazes , por meio da exdes bloco inventaram a ro da, p a ro vei t ando as forças perimentaçã o, tentativa e erro,de empre gar físicas de uma novamaneira.Com o cresas leis da ísi f ca.
PRIMORDIOS DA ENGENHARIA E HIDRÁULICA EM AÇÃO Os engenheiros hidráulicos no Sri Lanka cons truíram complexos sistemas de irrigação no século III a.C. O sistema fundava-se na inven ção do biso-kotuwa, instrumento semelhante a uma válvula moderna, que regula o fluxo de saída de água. Vastos reservatórios de água da chuva represada, canais e eclusas forneciam água suficiente para sustentar o povo cingalês do Sri Lanka, cuja dieta básica era o arroz. O
Sistemas muito mais sofisticados e extensos foram construídos séculos depois, a começar durante o reino do Rei Vasaba (65-108 d.C). Seus engenheiros construíram 12 canais de irrigação e 11 tanques, tendo o maior deles 3 km. Suas maiores realizações foram feitas sob o comando do rei Parakrambahu, o Grande (1164-1196 d.C.), quando engenheiros Cin galeses conseguiram um gradiente contínuo primeiro tanque de água da chuva foi construí de 20 cm por km ao longo de canais de irri do no reinado do Rei Abhaya (474-453 a.C.). gação que se estendiam por volta de 80 km.
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MECÂNICA EM AÇÃO
ciment o da popul ação na Mesop otâmia,as des pesos usandose pouca fo rça. A respo s pessoas empreg aram pe la primeira vez ata delefoi: “Impulsio nadapelamesma for dinâmica os d fluidos, des envol vendo, noça, a parte doraio de um círcul o que es tá 6omilênio a.C., sistem as de irrigaçã o paramais distante do centro movese mais rap i aguarua ss terras cult ivadas dame nte que o raio menor questá e próxi mo Além ser usada plantações, centro”. reconheceu isso logo após a corrent e de pode ter nas outros os.usPodea água ter su a do Aristóteles invenção de uma forma de balança que tinha própria força ea pressão por ela exercida os de compri mentos desigua is. Em uma pode serusada para a execuçãode tr ababraç balança com bra ços guais, i os pe sos emum lhos produ tivos. O primeiro uso conhe ibrados por pes os iguais cido da água pa ra fornecerforça m otiva ladodevemserequil c braç os foi na Chi na Anti ga quando ZhangHeng do outro. Masem umabalançaom os pe sos também podemser equi (78-139 d. C.) usou a energ ia da água pa radesiguais, lib ra dos movendose o fulcro (o ponto onde mover umaesferaarmil ar (um lobo g usado se e ovendom se em astronomia para determi nar sa posi çõesa barra transversalapoia) ngo deseu braç o. Portant o, das estrel as).Du Shi, em 31 d.C., usou umaum peso ao lo roda d’ág ua paratransmi tir energiaosa foles nicas o pensam teó sobre força mecâ sóento co meço uric aooco rrer sade poi s sque um de um fornode alta temperatura pro que du apa relho foi co ncebido para olocar c essa s zia ferro fundido. forças m e uso. A exist ência dabalança de bra ços desigua is de u a Aristó teles aoportu A MECÂNICA DOS GREGOS ANTIGOS vação e investi gação. Embora sa primeiras civi lizações izes f sem nidade de obser uso práti co damecânica, não temos regis tros deum pens amentosistemá tico ou ana lítico sobreforça s. A primei ra evidência de pensam ento abstratosobre como e por que O Grande Zigurate de Ur (atualmente no as forças ge am sobre obj etos vem darécia G Iraque) foi construído por volta de 4.000 anos atrás e representa uma obra respeitável de Antiga. Em Mecânica, Aristót eles investigou como sa alavanca s possi bilitam mover granengenharia.
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1 I 1. MASSA EM MOVIMEN TO - MECÂNICA
"Dê-me um lugar para apoiar e eu moverei a Terra." Arquimedes
INVENÇÕES DE ARQUIMEDES Arquimedes soube aplicar seu conhe cimento de mecânica na prática. O rei Hieron II o encarregou de projetar uma embarcação imensa, o primeiro navio de luxo da História, capaz de transpor tar 600 pessoas e com instalações que incluíam jardins decorativos, um ginásio para esportes e um templo dedicado a Afrodite. Para bombear a água que se acumulasse no casco, dizem que ele de senvolveu o parafuso de Arquimedes, uma lâmina giratória em formato de parafuso que se encaixa perfeitamente dentro de um cilindro e é girada manual mente. O mesmo projeto foi adaptado para transferir água de uma fonte de baixa altitude para canais de irrigação, e ainda é usado hoje. Outras invenções atribuídas a Arquimedes incluem um ar ranjo parabólico de espelhos para refletir os raios do sol em navios inimigos e in cendiá-los (veja a página 68), e uma gar ra gigante para erguer navios inimigos para fora d'água. Como é tão frequente, a guerra parece ter fornecido o ímpeto para desenvolvimentos científicos.
A descoberta de Aristóteles é a precurso ra da leida alavanca paraqual a A rquimedes (c.287-212 a .C.) forneceuuma prova cerc a de um século depoisem ( bora alei provavel mente fo sse bem o cnhecidantes a de rAqui medes confirmá-la). Em suaforma m oderna,a prova diz que o pes o vezes a distância m e um ladodo ful cro é o me smo que o peso ezes v adistânci a do outro: WD = wd
Arquimedes expressou isso em termos de razões, poi s ele nã o aceit aria amultiplicaçã o de medidas denaturezas ferentes di peso ( e distância).Como ra zões, a leida alavanc a assume forma a : W:d=w:D ^
DE VARI 1S MACIII NIS.
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Arquimedes teria se gabado de que se tivesse uma boa alavanca e um lugar para
0 parafuso de Arquimedes ainda é
apoiá-la, ele conseguiria mover a Terra. Em princípio, isto é verdadeiro.
usado para mover a água em alguns sistemas de irrigação atuais.
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O PROBLEMA DA DINÂMICA
O problema da dinâm ica Aristóteles começou com a proposição de que umcorpose move po rque uma força é aplicadaa ele, e se mantém em moviment o pelotempo que aforçacontinuar. A tendên
Uma flecha disparada para cima segue uma trajetória parabólica previsível.
cia de m ue é corpo co nti nuar m e m ovimento atual ment cha mada momentum. Ess a pro posição de Aristó teles xpl e ica o qu e aconte vez de atirado. O ce se empurramosu opuxa mos algo , mas fa modelode Hiparco lha claramente qua ndo apl icada aprojéteis. també m explicou o Se atiramos algo,dispara mos umalecha f de co mport amento de um arco ou umabala deuma arma , o obje um corpo erruba d to continua es movendo depoi s que acoisa do ou em queda . O obj e to co m e ça em um ou pess oa que eu d o impul so deixo u de ter estado de equil íbrio entre aatraçã o da gra contato com o projétil. Aristóteles resolveu vidade para baixo e o ímpeto que a mão faz o probl ema tra nsferindo o sta tus do “imp ul para ima c . O empuxo paracima é renova sor” para o m eio por me io do qua l o proj éti l em queo objeto élibera do, viaja, de modo que o ar continua a exercer do no momento i continuame nte, de modo forçasobrea flecha , impul sionandoa para mas depois deca seu lavo. Essa força seriaxerci e da sobre o que ar o objeto aceleramedireçãooasolo. O modelo também re sponde pela velo cidade quando a flecha éliberada do arc o. rna O matemá tico greg o Hiparco (c.190- final,umavez que ataxa daquedase to cont í nua q ua ndo todo o ímpeto do corpo se c. 120 a.C.) rejeitou iss o, alega ndo que a forçatinha isdo transf eridaparao próprioesgotou. João Filo pono (49 0-570 d.C.), projétil. Logo, umaflechadispara da direto O filósofo comoJoão, o Gramá ti para cima te m mais potênci a - ou ímpetoàs vezesconhecido co, ou João da Alexa n dria , tinha uma oria te - para transport á-la pa ra longe d a terra qu e cida para expli car o impulso. Ele suge a gravidade tem ra pa puxála devolta paraapare a forçaconferida terra.Porém sesaenergia cai de nat uralm en riu queum projétil tem um lo “impulsor”, m as esta é autolimite como tem po. Tal diminui ção é atribuí daa ele pe tadae, depois de e s esgotar, o projétil volta à própria flecha , e não se de ve àresist ência rmal. No século do ar, à g ravidade ou a qualqu er out ra inao padrão do movimento no XI, Avice nna (c. 9 8 0-10 37 ) descobriu um a fluência. oNmome nto em que o ímpetoé lo de Filopono, dizendo que igual à tração a da gravidade, a echa fl ficafalha no mode um proj éti l recebe uma inclinaçã o, e não moment aneamente rada pa. uma força, e questa e não deca i natural Entãoela começa a cair e a velocidade de me nte. N o vácu o , por exe mplo, o projétil se sua queda aumenta à me dida que seu pe ím moveriaparasempre, seg uindo a inclinação to originaltendea zero. Quando o ímpeto con ferida a ele. N o a r, a suaresist ência aca diminui, sua resistênci a à gravidade que in cide sobre o jeto ob é menor. Quando não há ba supera ndo a inclinaçã o. Ele acre ditava, étil fosse empurra do ímpetoresidual,a flecha cai na me smavelo também, que um proj pelo mo vimentodo ar que ele des loca. cidade u qe um obj eto quefoi derrubado em 77
MASSA EM MOVIMENTO - MECÂNICA
MECÂNICA ESTÁTICA
Enquanto os gregos antigos se preocupavam com a dinâmica (a mecânica do movimento), os romanos dominavam a mecânica estática. A mecânica estática explica como as forças em equilíbrio mantêm uma massa em repou so. Este é um princípio fundamental na arqui tetura, onde forças em desequilíbrio podem
fazer um edifício ou uma ponte cair. Uma ponte em arco, por exemplo, é sustentada simplesmente porque a pressão exercida pelas pedras que compõem o arco está em perfeito equilíbrio. Os desafios da arquite tura medieval e renascentista para cons truir grandes tetos, arcos e domo abobada do, foram problemas na mecânica estática que chegaram a soluções refinadas.
O Domo da Catedral de Florença, construído por Filippo Brunelleschi, representa um triunfo de engenharia - é sustentado somente pelo peso de suas próprias pedras.
O filósofo hispanoárabe Averroes ponsável po r uma das dua s inovações un f (11261198 d.C .) foi a primeira es psoa a damentais nodesenvolvimentoda dinâm ica definir como “a rproporçã o em qu e éonew toniana aparti r ês dadin ica ca. traba lhofoérça feito paramuda a condição cin O filósofo franc do âm sécu lo aristo XIVtéli Jea n tica de um corpomateri al”, e afirmar “qu e Buridan (c.1300-1358)relato u o ímpeto o efeito e a medida da fo rçasão a mudança dado pe lo impul sor navelocidade do corpo na condição ci nética deumamassaresis tenem movimento . Ele pe nsava queo ímpeto te ma terialment e”. Ele intro duziu a ideiae d pudes se ser em linha ret a ou emcírculo , que corpo s não moventes têmresist ênciaeste último explicando osovimento m s dos para omeça c r a se mover -conhecida hoj e planetas.Seu relatoé parecido ao moderno como inércia mas aplicou-a apenas aos conceitode momentum. corpos celes tes. Foi Tomás Aqui no que es Discípulode Buridan, lbert A a d Saxôtendeu o onceito c a corpos terre stres. K e nia (c. 1316-1390), ampliou a teoria vi di pler se guiu o m odelo deAverr oes-Aquino - dindo a trajetó ria deum proj étil em três foi ele qu e introduzi u o te rmo “inércia ” - queetapas. Na primeira (A -B), a gravidade se tornou o conceitocentra l da dinâmicaednão tem efei to e o corpose move nadi Newto n. Isso significa qu e Averr oes éresreção do ímpeto dado pelo impulsor. Na 78
O PROBLEMA DA DINÂMICA
f segunda teapa(B-C), a gravidade recupe RUMORES MALDOSOS ra sua potência o e ímpetodeclin a, logo o corpocomeçaa tender parabaixo. Na Nem todas as histórias sobre a vida de terceira tapa e (C-D), a gravidade domina Buridan que nos chegam hoje podem ser e puxa o corpo para ba ixo à medida que o verdadeiras, mas sugerem que o seu cará
ter vibrante e animado. Diz-se que ele ati rou um sapato na cabeça do futuro Papa Clemente VI ao disputar uma mulher, e O EXPERI MENTO DO TÚNEL que morreu depois que o rei da França Um dos experimentos mais importantes o atirou no rio Sena dentro de um saco, pens ados naHistória daciênc ia envo lve a como punição por ter tido um caso com queda imagi nada de uma bala de nhão ca a rainha.
ímpeto se esgota.
por um túnelquepassapelo centroda Ter ra e cheg a ao outro lado . O experimento foi discutido por vár ios pens adores medie vais, desenvolvendo as ideias de Avicenna e Buridan o s bre oímpeto. Pensa va-se qu e,
A
B
Uma bala de
disparada ao gir dev o outro mundo, de ati ca nnhão eria lado sub ir àdo mesma ltura aa bala dacanhão horizontalmente segue qual caiu. A explicação era quea bala de uma trajetória reta, e canhã o recebi a ímpetopela orça f da gra então cai para a Terra. vidade que agia sobre ela para empurrá-la para aTerra, e que ste e seria suf icien te para cont raporse à gravidade emsua trajetória desaída. Quando ela a lcança sse a altura da qual caiu ori ginal mente, o ím Este foi o primeiro ponto em que o movi peto se esgotaria e a bala de canhão cai riamento oscilatório, tão importante na física novamente, seguindo o mesmo padrã o e do século XVII, foi incluído no estudo da dinâmica. estabelecendo um movimento oscilatório.
"Quando um impulsor põe um corpo em movimento, ele imprime neste certo ímpeto, ou seja, certa força que permite que o corpo se mova na direção determinada pelo impulsor, seja para cima, para baixo, para os lados ou m e círculo. O ímpeto implantado aumenta na mesma razão que a velocidade. É por causa desse ímpeto que uma pedra se move após o sujeitoque a atirou parar de movê-la. Mas por causa da resistência do ar (e também à gravidade da pedra) que luta para movê-la na direção oposta ao movimento causado pelo ímpeto, este último se enfra quecerá o tempo todo. Portanto, o movimento da pedra será gradualmente mais lento, e final mente o ímpeto estará tão diminuído ou destruído que a gravidade da pedra prevalece e move a pedra para seu lugar natural."
Jean Buridan, Questions on Aristotle's Physics (Questões sobre a Física de Aristóteles).
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MASSA EM MOVIMENTO - MECÂNICA
OS CALCULADORES DE OXFORD - DA GLÓRI A
Os Calculadores de Oxford eram um grupo de matemáticos cientistas que trabalhava na faculdade de Merton em Oxford, no século XIV, que incluía Thomas Bradwardine, William Heytesbury, Richard Swlneshead e John Dumbleton. Eles investigaram a velocidade instantâ nea geral e chegaram fundamento da lei daenunciaram queda dos corpos muito antes Galileu, quem em esta é ao atribuída. Eles também e demonstraram o de teorema daa veloci dade média: que se um objeto em movimento acelera a uma taxa uniforme durante certo tempo, ele cobre a mesma distância que um objeto que se move com velocidade média pelo mesmo período de tempo. Eles foram os primeiros a tratar de propriedades como o calor e força como teoricamente quantificáveis, embora não tivessem como medi-las, e su geriram o uso da matemática em problemas de filosofia natural. Infelizmente, os acadêmicos de Oxford na época medieval costumavam ser ridicularizados por causa da natureza de seus estudos e o grupo praticamente desapareceu, relegado à obscuridade.
O exper imento do túnel oif adaptado ça tenh a se esgotado e ele sej a puxadode para explicar a oscilaçã o de um pêndulo , volta, renovando o impulso, porém na outra que era vista como oexperimento do túnel direçã o. Para a dinâmica ar istotélica, e nos em um micro cosmo . O pênduloé puxa do mode los deHiparco eFilopono, o pêndulo parabaixo ao seu ponto mais baixo(o ponera uma anoma lia inexplicável. Não havia to mé dio horizontal),e o impulso que ele razão óbvia paraque lee subissenovamente ganhou o imp ele parasua trajetória lateralapós ca ir. Aqui,finalmente,urgiu s um a ma continuada(talvez a pra cima ), até quea forneira de explicá-lo. O ver dadeiro nascimen m ecânica clássic
to da
a
Os cien tista s dosséculos XVI e XVII busca ramexpli cações pa ra o movimentodos cor pos ífsicos,que incluí am de sde projéteis a estre las. O rimei p ro traba lho sobre dinâm ica foi examina do rigorosame nte e substituído, princi palme nte por me io dos seforços de Ga lileu na tália I e de Isaa c NewtonIng nalaterbora com contribuiçõ es importantes ra, em de astrônomos mo co Johanne s Kepler.
Um famoso experimento mental envolve deixar cair uma bala de canhão em linha reta através da Terra.
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O VERDADEIRO NASCIMENTO DA MECÂNICA CLÁSSIC A '
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O EXPERI MENTO DA BOLA DE G LILEU Galileu tinha umextrem o interessepor A desconfiança que Galileu tinha da física projéteise corposem queda. E improv ável aristo télica come çou e cdo. Ainda adolescen que ele tenharealizado o experime nto fa te, qua ndo era studante e em Pisa, el e refumoso atri buído a ele desoltar ba las de ca tou a alega ção deAristóteles deque corpo snhão de pesos dif erentes daTorre ncli I nada pesa dos caemmais rapi dament e que osmais de Pisa para mo strar que elesem ca com a leves,citando como evi dência ue q granizos mesma velocidade -é mais provávelque de dif erentes tama nhos ati ngem o chã o ao tenha se tratado simpl esmente de umxer e mesmo tempo e presumiv elmentecae m da cíciohipotético. Mas que r ele o tenha rea mesmaaltura. Esta ( éumaprova espúria,evi o, o conceito de conduz ir um dentemente, pois ele nã o tinha como saber selizado ou nã para testar aum ideia e de usa r graniz os iniciavamsuaquedaao mesm o temexperimento os result ados como idênci ev a para apoiar po.) Ele mostro u tam bém q ue um a bala de ci ico foi central para as canhã o que tainge umalvo na mesma alturaum enunciado entíf práti cas de Gali l eu e se tornaria a bas e do da qua l saiu do canhão az fisso co m a mesm a velocidade com a qual saiu do canhão. método científico. a
DESCARTES E A VISÃO MECANICISTA
René Descartes foi, essencialmente, a pri meira pessoa a propor a existência de leis da natureza imutáveis. Ele desenvolveu uma visão mecanicista inspirada por um cientis ta amador e defensor da filosofia mecânica, o holandês Isaac Beeckman (1588-1637), a quem ele conhecera em 1618. Descartes tentou explicar todo o mundo material, in clusive a vida orgânica, em termos do tama nho, forma e ação de partículas de matéria em movimento de acordo com as leis da fí sica. Ele até via o corpo humano como um tipo de máquina, embora a alma fosse ex cluída de seu esquema mecanicista. Em sua visão, Deus foi o primeiro sujeito que deu ao universo o empurrão de que precisava para funcionar, mas depois o universo passou a funcionar por conta própria, seguindo as leis da física como uma peça de relógio. Ele acreditava que se as condições iniciais fos Descartes acreditava que seres animados sem conhecidas, o resultado de qualquer sis tinham o mesmo funcionamento do relógio, seguindo as leis da física. tema poderia ser previsto.
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MASSA EM MOVIMENTO - MECÂNICA
Em vez de sol tar balas de nhão ca de umaaltura perigosa, Galileu exe cutou se us experimento s sobre fo rças rolandobolas de pesos dif erentes porplanos incl inados. Em umaépoca emque os relógios não ti nham um segundo ponteiro , determi nar com exatidão a duraçã o de ocorrências em experimento s não era fácil. Galileu usava um relógio d’água eseu própri o pulso para medir o tempoque sa balas levavam ra pa atingir o fi m de um plano incli nado,mos trandoque os feit e os dagravidade e ramos mesmos tantosobre obj etos leves anto qu pesa dos. sso I ia con tra osensinamento s de Aristóteles e - evidentemente - do senso comum . Mas Galileu ressa ltou que quan improvável que da Galileu deixado cair foi do vemos uma pena ou uma folha depaÉbalas de canhão Torretenha de Pisa, mas esta pel cai r mais lentamen te que uma bala deuma ideia atraente durante muito tempo. canhã o, é porque aresist ência do ar tor na ma is lenta a sua queda , e não porque a gravidade tenh a menos inf luênci a sobre osempre uma trajetória circular. Co ube a objeto ma is leve. Descartes demonstrare qu objetosem mo O experimentode rolar bolasmostrouvimento continuam em linha reta a não ser algo ma is. A medi da queele di minuía a que amesm a força jaa sobr e eles para mu inclinaçã o dos pla nos, Galileu pe rcebeu dar adireçãode suatrajetória. que es não houvesseuma força queparas se, umabola con tinuaria rolando ao longo de um plano ho rizontal. N ovamente, iss o EXPERIMENTO DE GALILEU contrariava os ens inamentos deAristó SOBRE A LUA teles. Também pare ceria se r contraintui tivo - um tijolo empurrado ao longo de Em 1971, os astronautas da Apollo 15 de uma me sa pararáassim que deix armosde monstraram que o que Galileu tinha dito empurrá -lo, e mesmo um carrinhocom sobre corpos em queda estava correto. rodaspararádepois demu tem po. Galileu Quando não existe atmosfera (e, portanto, há resistência do ar ou suspensão), os identificou corretamente uma força não que age para parar omovimento - a fricçã o. objetos em queda que caíam ao mesmo tempo da mesma altura atingiam o solo No entanto,ele c ometeu u m erro ao int er ao mesmo tempo, independentemente de pretar se us achados de que o movimento peso ou forma. Os astronautas usaram continuará anão ser que seja impedi do; ele seu uma pena e um martelo geológico para supôs que, umavez que aTerra stá e gi ran demonstrar isso. do, o movi mento n i ercial de ve produz ir 82
O VERDADEIRO NASCIMENTO DA MECÂNICA CLÁSSICA
GALILEU GALILEI (1564-1642)
Galileu foi educado em casa até os 11 anos, quando foi mandado para um monasté-
nova estrela (a supernova) e por volta de 1608 ele demonstrou que a trajetória de
para seguir formal. Para oriohorror de seusua pai,educação Galileu ingressou na vida monástica e aos 15 decidiu se tornar monge noviço. Felizmente para a história da ciência, ele contraiu uma infecção no olho e seu pai o levou para casa em Florença para tratamento. Galileu nunca voltou ao monastério. Por insistência de seu pai, Galileu foi para a universidade em Pisa para estudar medicina, mas logo passou a es tudar matemática e se dedicou muito pouco aos cursos médicos. Ele abandonou os estudos de medicina em 1585, mas voltou quatro anos depois como professor de matemática. Galileu ganhava pouco como professor e sua pobreza aumentou quando seu pai morreu tendo prometido (mas não
um projétil é parabólica. Em 1609, Galileu começou a fazer seus próprios telescópios e, no decorrer daquele ano, aprimorou a capacidade de aumento de três para vinte vezes, comparada ao projeto existente. Ele enviou um instrumento para Kepler, que foi usado para confirmar as descobertas de Galileu na as tronomia. Essas descobertas, como as luas de júpiter e as fases de Vénus (veja a página 171), apoiaram a visão de Copérnico de que a Terra viaja em torno do Sol (heliocentrismo), em vez de o Sol viajar em vol ta da Terra (geocentrismo). Durante muitos anos, Galileu foi impedido de expressar ou publicar essa visão, pois ia contra a doutrina da Igreja Católica, e em 1616 ele foi proibido de defender ou ensinar o modelo heliocêntrico. Em 1632, recebeu
entregue) um grande dote para a irmã de Galileu. Ele conseguiu adquirir o posto de professor de matemática em Pádua em 1592, uma universidade mais prestigiosa e um emprego com melhor remuneração. Porém o dinheiro ainda era uma preocu pação sua, por isso ele buscou a invenção como maneira de aliviá-la, desenvolven do primeiro um termômetro que não teve sucesso comercial e depois uma máquina de calcular mecânica que lhe trouxe ren da durante um tempo. Em 1604, Galileu trabalhou com Kepler examinando uma
permissão para publicar uma discussão equi librada do assunto chamada Diálogo a respeito de dois sistemas mundiais principais, mas este ensaio tinha um viés tão claro contra o geocentrismo que Galileu foi condenado de heresia em 1634, passando o resto da vida em prisão domiciliar. Durante sua reclusão, ele acabou seu Discursos e Demonstrações Matemáticas a respeito de duas novas ciências, em que explicitou o método científico e
afirmou que o universo podia ser entendido pelo intelecto humano e é governado por leis que podem ser reduzidas à matemática.
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^ MASSA EM MOVIMENTO - MECÂNICA
Princípios de Newton talvez tenha sido o livro de ciências mais influente publicado até hoje.
PH I L O SO PH I fE NATUR.ALIS P R I N
C I P I A
MATHEMATICA A uto re J S. NEfV TO N , Trirt. Co ll. Cantab . Soc. Mathefeos Profeffore LHcafiano, & Societatis R egalis Sodali.
IMPRIMATURS. P E P Y
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Reg. Soc. PRO
jf.ulii 5. i á 86 .
SES,
inata a o repouso, inclinatio aã qui etem. Uma tendênci a ao repouso é uma boa de finição de inérci a, descri por Averroes, masque nãoprimeiro é a razãofoi pela qualtaum corpo p ara dese mover. O expe rime nto definitivo que pôs ainér cia emdescré dito como umaorça f que desa celerao movimento oif reali zado em 16 40 por PierreGassendi, a bordode um a galera que lee empre stara da marin ha france sa. Re maram agalera àvelocidade má xima pe lo Mar Medit errâne o enqu antobalas de canhã o caíam od topo do mastro.Em ca da caso, elas
ati giam deck nosmo me lu gar, exatame e aonpé dooma stro . Elas nã o fica vam pa ra nt trás Juf lii Soc ietatis RegU ac Typ is Jofcphi Streatcr. Pro ftat apud por causado mov imentoda embarca ção.Isso A mo MDCLXXXVJI. plures Bibliopolas. mostro u queum corpo co ntinuava a semo ver na direção tomada inicialmente, anão ser quefossedetido por alguma força . A bala de P arar e começar canhão acompanhava galer aa porque nada A inércia é a relutância de um corpo em para va se us movimentos para afrente,e isso começar ase m over. Ela deve ser supera da paraque o movimento se inicie. O momenLeis do Movimento de Newton tum é a tendênci a queum corpo em movi mento tem de co ntinuar ase mover, umaPrimeira tei: Os corpos se movem em linha vez recebido um ímpeto inicial. O momen- reta com velocidade uniforme, ou perma tum seperde quando o rpo co desacelera, enecem parados, a não ser que uma força para emrespo sta a uma orça f quege a sobreaja para mudar sua velocidade ou direção. Segunda lei: As forças produzem ace ele cont ra adireçã o do movimento.O tra leração proporcional à massa do corpo balho em dinâmica edAristó teles, Hi parc o, Filopono e Avicemia lidava sica ba mente (F = ma, ou F/m = a). com a lgo pare cidoaomomentwn e sua perda Terceira lei: Toda ação de uma força - com c omo e o pr que um corpocontinua a produz uma reação igual e oposta. (Por se mover,e então para po de is daquele ím exemplo, um foguete é impulsionado para peto inicial. No enta nto, elesnão responde frente com a mesma força que os gases de ram corret amente por queum corpoara p d e escape são expelidos para trás dele.) leis abrangem as leis de conserva se mover.Os físicos persasexplicaramquea ção Essas de energia, momentum e momentum eventualerda p de movimentocomeç avapor angular. um impulso por referência a aum tendê ncia L 0
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N D I NI ,
O VERDADEIRO NASCIMENTO DA MECÂNICA CLÁSSICA
continuavajuntame nte com u semovimentoentre eles. A ei lda gravidade, pub licadaem para baixo. Gassendi o f i imens amente in 1687, foi a primeira força aserdescri ta ma fluenc iado por aGlileu epelo mé todo expetema ticame nte. Ao formula r a lei, Newton rimental def endidopor ele. demonstrou pela meira pri vez que todo o universo é overna g do pelasmesmas leis , e O MEST RE F ALA o lei s que podemeser modeladas. As sã leis de movimento gravitação de A forma da mecânica clássica que dominou estas se plicam a igua lment e a todos os a física durante ismade 200anos às vezes Newton é obj e tos na Terra e a os corpos celestes. Elas chama da demecâ nica newton iana, em ho cam amaior parte dosmovimentos sdi mena gem às trêsleis de m ovimentoformuexpli cerníveis no mundo nos que rod eia, alhan f lada s por Isaac Newto n nos anos 1660. Estas ando b ojetos estão mov se endo forama lei da inérci a, a leida aceleraçã o e ado apenas qu próx imo da vel o cid ade da luz o u sã o extre lei de a ção erea ção.Ele tr atou a segunda ae nte pequenos; nenhuma dess as pos tercei ra leis em PhilosopieasNaturalisPrincipia mame sibi l idad es importava Newton. a As leis de Mathematica (Princípios Matemáticos de Filon expl icara m os achados deGalileu, sofia Natural ), publicadoem 16 87, em gera l Newto inclusiv e seu exer cíciohipotéticocom ba las chamado apena s de Princ ipia (Princ íp io s ). O nhão de pe sos diferentes, e também o grande ava nço deNewto n foi em fornece r de ca rela t o feito por Kepler os d pla neta s segu in um relatodetalhado da mecâ nica usando o cas. No universo de New sistemamatemáti co agora cha mado de cá lcu do órbitas elípti ton , o mov i mento de todo s os corpo s era lo diferencia l, queele h avia desenvolvido. previsível, dadas informações sobre ma a ssa do co r po e a s f orça s que gem a so bre ele. M ov i m e nto e gr avi dade Newton estabeleceu os princípios de con serv açã o demomentum e momentum. angular,O UNIVE RSO COMO CAMPO DE TESTES v ificou suas nova s leismostra ndo além daormu f laçã o da gravidade emsualeiNewton er como elas explicara m o movimento dosla p de gravitação univ ersa l. Esta estabelece que neta s no si stemasolar . Ele mostro u como a toda a no partíc univ ers o que a m ssa órbita daTerraé o result ado da atrai partícul oda t outra ula que tem tem ma ssa . curvatura da ace leração na reção di do Sol , e a gra vidade Essa atraçã o é a gravidade. Quando uma do Soldeterminas aór maçã ca i de um a árvore, bitas dos planetas. Suas ela é atraíd a parabaixo expli cações dão susten em direção à Terrapela taç ão aos rela tos feitos gravidade, masoames anteriormente por Ke mo tempo a maçãexer pler (vejaa págin a 168 ). ce su a própria atraçã o gravitacional, muito pe Diagrama Feito por quena, so bre aTerra. A Newton em Um Tratado força gravitacional entre do Sistema Mundo, dois corpos éinversa sobre como do enviar uma mente proporcional ao bala de canhão para a quadrado dadistância órbita.
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, ; MASSA EM MOVIMENTO - MECÂNICA
É fácil replicar os experimentos de Galileu rolando caminhões de madeira ao longo de planos inclinados, como muitas crianças em idade escolar sabem.
A mecânica celeste - o estudo do movimen locan do os enc renque iros - Júpiter e S atur vidos lugare s. to e das forças que ge am nos co rpos cel esno - devolta em seus de ático e astrônomo francês tes- foi estabe lecida com o cam po de te stes Foi o matem S L aplace(17491827 ) que re para teorias na ísica. f N os séc ulos seg uintes,Pierre imon e estavaacontecendo ealment r e, nosso ntendi e mento do movi mento dospla solveu o qu a das leisde Newton. netas foi refinado in cluin do-se os acmpos dentroda estrutur gravitacionaisexercidos pelos laneta p s, em cálculo s bas eados nas leis de Newton. New- Ar e águ a ton es toava cien te de el que órbi tas plan etá ampurrão s seja m camin óbvi ashão - da rias nã eram como e tiansha calculado queEmbora mos umlgum e as força em um de fosse m, e acredit ava prof undame nte que a brinquedo elee semove, por exem plo -, intervençãodivina fosse necessá ria acada outras ão n são vistas com tanta acili dade f .A séculoparapôr tudode volta em curso,copressã o do ar ou dagua á g aindo sobre um
ISAAC NEWTON (1642-1727)
Newton nasceu prematuramente no dia de Natal de 1642 (calendário pré-gregoriano), e não se esperava que vivesse. Quando criança, era rotulado de preguiçoso e desatento na escola, e foi um aluno medíocre em Cambridge. Quando a universidade foi fe chada em razão da Grande Peste de 1665, Newton foi do em sua casa em Lincoln shire. Foi lá que ele fez os primeiros esboços de suas leis do movimento e seus insights
Lucasiana de matemática em 1669 com apenas 27 anos. Ele demonstrou que a luz branca é formada por todo o espec tro e desenvolveu o cálculo di ferencial - embora tenh a dis cutido essa prioridade com Gottfried Leibnitz (16461716), que o desenvol veu independentemente. Newton escreveu dois textos importantes, Principia e Opticks. Notoriamen te questionador e arrogante, Newton tinha frequentes dis
iniciais sobre a gravidade. Depois de voltar a Cambridge, ele assumiu a cadeira
cussões com outros cientistas, e teve uma longa rixa com Robert Hooke.
forçado a passar esse perío
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AR E ACUA
íl T
corpo pode movê-l o, deformá -lo ou mesmo destruílo. Os fluidos nã o agem como co rpos damesma fo rma que um planeta u o umamaçã. Um fluidopode fluir, eleonã tem fo rma
Uma folha caindo não vai direto para a terra porque sua massa baixa e a grande área de sua superfície significam que ela é
facilmente transportada fixa, eisso signif ica quea força xerci e pelo vento. da por ele di fereda força xercid e a por um corpo sólido. Mesmo ass im, é possível ver um líqui que ele deslo ca. do fluindoou ca indo e entend er parte de Heronde Alexandr ia (c.10-70 d.C.) em suaforça. O co mportame nto dos g ases foi prega a pressãodo ar , água evapor na pr áti ligeiramente ais m difícil de ver einvesti ca, ao inventar um a roda de ventopara cio a gar, visto que amaioria dos ga ses nã o énar u m órgão musical, a primeira máquina visível. Está claro, dada a força do vento a vapor. lEe também iou cr uma porta auto de derr ubar rávores e destruir edif ícios, mática: o ar a quecidopor uma pira deslo ca queum gás emmovimentopode er t muit a va a água, que era coletada e seu peso pu
força, mas é mais difícil fazer experimen xavauma corda qu e abria as port as. Heron tos com eles. foi res ponsáve l pelo pri meiro caça -níquel,e Anaxágoras executou experimentos em até mes mo por uma apresentaçã o de mario público para demon strar aexistênci a da netes. Ocaça -níquel di spensava uma de ter pressã o do arusando o ar co ntido em umminadaquanti dade degua á benta. Amoeda vaso fechado esférico que ele empurrava inserida caíame um pra to que inclinava, para de ntro d’água. Embora le e tivesse coabrindoumaválvula para e quáguajorrasse. locado pequenos ori fícios no u f ndo do vaso, Quando a moeda ca ía fora do prato , um este não se encheu degua, á po is á j estava contrapeso rta cova o suprimento de água. O cheiode ar. Anaxá goras show de bone cos eraacionado por um sist e não estendeueu s tra ba- ma de corda s, nós e máquinas simpl es, todos ^ .
I
lho para pressão atdos simul tanea mente po r uma roda mosf érica ,ama s most rou opera dentada, cilíndrica, giratória. como a re sistência doar Desde aAntigui dade, sabese quea água exphcapor que as fo pode ser bombeada uma a altura p aroximada lhas podem flutuar de 10metro s, mas não ma is que isso, o que no ar. Arquimede s foi descober to por tenta tiva e e rro. N os anos teoriz ou que um 1640, os cienti stas co meça ram a ligar isso corpo mers i o na com apres são atmosf érica . O matemático água está sujeit o italiano G asparo Berti (16001643) efz, nã o a uma orça f paraintenci onalmente, um rôba metro de gua á cima qu e é igualpor volta de 164 0, e de scobriu quea altura ao pesoda á gua da água em um tuboongo l e fecha do n i verUma Eolípila, ou o primeiro motor a vapor, de um tipoprojetado por Heron da Alexandria; o vapor que escapava fazia o topo da esfera girar.
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MASSA EM MOVIMENTO - MECÂNICA
Página de título de tido sobre um prato atingiria DANSUS BERNOULLI Jontm M », fwr, B , Hidrodinâmica de Bernouilli, o 10,4m , deixando o espa ço - um primeiro trabalho sobre mecânica HYDRODYNAM 1 CA, vácuo - no alto do tubo. Um DE VIRIBIÍS ET MOTÍBÜS FLUIDORUM dos fluidos. ARÍL colega italiano, o físico Gio-OPUSCOMMENT ÀCADEMICUM vanni Batista Baliani (1582te que ma ntinha a col una de 1666), desco briu em 163 0 que água no tubo a uma alt ura de não podia bombear água acima 10 metro s. Rumores de qu e dessa altura,e pediu a Galileu Torricelli estaria envolvido em para explicarpor quê . A expli feitiçaria significavam que ele cação de Galileu of i quea água precisava nter ma se us exp eri _IÔ#Ââ vULGENTORAn __ d m |HÍÍ EÍ S ÓI»! ti&S f SGjKfc&f; era sustentada para cima pelo mentos em se gredo, por isso ___ Dçcxsacm. __ vácuo, e o vácuo não podia sus ele procurou um líquido mais tentar alt uras ci ama do que a denso que alcança sse um nív el água em 10 metro s. A essa altura,a maioriamais baixo. Ele acertou ao usar o mercúrio das pessoa s, inclusive Galileu,acreditavaueqque, co m umadensi dade16 vezes maio r que o arnão tinha pe so próprio. a da água, of rmauma col una muitomenos e
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AC.ilXSQiSt. I’CTROT OWTAStC, MATHFÂE01 iimÍMUKS tS0i.05U.StSC M M (X 1WK.HÜ.NU8.
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conspícua, ed apenas 56 cm. O matemá tico francêse físico BlaisePas l (1623-1662) repeti u o experimento de Evangelista Torricelli (1608-1647), ca amigo e aluno de Galileu, sugeriu em 44 16que,Torricelli com um barômetro de er mcúrio do carregar e de fato, o ar ti nha peso e erao peso do are foi além,fazendo seu cunha ento noalto de uma mon pressionando a água para ba ixo no recip ien- testar o equipam tanha. Ao descobrir que o mercúrio afunda va mais em altitude, Pascal concluiu corre O BARÔMETRO DE VINHO tamente que o pesoardoeramenor lá em cima ,eportanto,exercia umapressã o menor. Tendo descoberto como seu barômetro funcionava, Pascal começou a testar a A partir de suas conclusões, ele extrapolou, D a água
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para
o
mercúr
io
crença mantida por físicos aristotélicos de que a parte "vazia" do tubo era preenchi da por vapores do líquido que pressiona vam a coluna para baixo. (Eles rejeitavam a ideia de que poderia haver um vácuo no alto do tubo). Ele escolheu o vinho para uma demonstração pública, por ser con siderado mais vaporoso que a água. Pediu aos aristotélicos para fazerem uma previ são do que aconteceria. Eles propuseram que a coluna de vinho seria mais baixa que a de água, pois haveria mais vapor para
sugerindo o do arnta. con tE inua acair à medidaque queapressã alt aitude aume m algum ponto o ar sa i e há apena s vácuoacima da camadaatmosf érica da Terra . Atualmente,a medida da pressã o é cham ada “pascal ” (Pa) em suahomenag em, sendo um pascal equi valente aum newton por metro quadrado.
pressioná-la para baixo. Foi provado que estavam equivocados, e a explanação de Pascal prevaleceu.
em me ados do cma ulo XVIII come çous a ser n e tend ido . Osé temá tico este suíçoholandê Daniel Bernoulli (1700-1782) estudou o movimento de líquidos e gases, publicando
D i nâ m i ca
d o s flui
dos
Embora sa pessoas tenhamproaveitado o movimento dos fluidos há milênios, somente
COLOCANDO A MECÂNICA PARA FUNCIONAR
em 1738 seu Hidrodinâmica, um livro fun são arterial que envolvia inserir um otub capilar dame ntal. Ele de scobri u quea água que lfuiem um vaso ang s uíneo e medi r a altura à qua l rápi do exercemenos pressã o que aquel a queo sang ue u s biu notubo.Essemétodo n i vasivo flui lentam ente,e queesse princí pio pode se r e desconf ortável de medir assã pre o sanguí nea do po r mais de150 anos,até 189 6. estend ido a qualquer luido, f seja líqui do ou foi usa gás. Se Bernoull i inser isse um tub o vertical estreitopelapare de deum tubo ho rizontalJ untando flui do s e massa mais larg o com água fluindo , esta su biriaAté ser aceito que a matéria é composta de pelo ubo t es treito . Quanto maio r a pressão átomos, eraimpossívelgua i lar o compo rta da água no tubo mais largo, mais alt o ela su mento de corpos sóli dos a o comportame nto biria pelo tubo estreito . Se o tubo or f maisde fluido s de mane ira signif icativ a. Ma s as estreit o, a pressão do lí quidoqueflui aumensim queficou evi dente que líquidos e gases ta. Se o tubo or f reduzi do à metade deuasã s o compostos de moléculas, oifpossível en largura anter ior, a pressã o quadriplica,pois a tender q ue apressãoda águae a pressão do lei dos quadra dos seapli ca aela. ar são produzidas por partículas emmovi Berno ulli enunciou suas conclusões no mento que xeercem rça fo em outros co rpos que u ag ora conhecido como t um ema d e ver com os acontecer qu ais entram mecontato. De fato, Berno lli: aéqualque r ponto emeor duto isso no movimento browniapelo qual o líquido esteja fl uindoa somadano eventualmente provouxistência a e dos energ ia cinética,energ ia potenciale energ ia átomos veja ( apágina 42). O modeloatômi da pressãode uma dada massado fluido éco damatéri a finalmente anhou g aceitação constante. sta E é equiv alente àlei da conuniversal nosprimeiro s anos d o século X X. servação de energ ia. Os fenôme nos por trás Ao mesmo tempo, começaram a aparecer do teo remade Berno ulli mantêm um a aero falha s na mecâ nica new toniana. nave voando, permitemnos prever olima c e ajudamnos a de Colocando a mecânica para terminar a circu lação funcionar de ga ses nas estr elas eDurante aRevoluçã o Industrial nosculos sé galáxias. XVIII e XIX, a mecanização na indús tria, Bernoul li estudou agricultura e tra nsporte tra nsformou total medicina por insi stên mente avida naEuropa ena América do cia de u sepa i, e tinhaNorte.As popul ações se moveram em m assa interesse pelo flu do cam po para a cidade, máqu inas possi bi xo sang uíneo no litaram amanuf atura de ns be emmassa, as corpo hum ano. sumiram tarefas rícag olas quentes a deman Ele concebeudavamum gra nde número de trabal hadores um mé todo para rurais,e passa ram a transp ortar be ns, ali medir a pré s mentos e pess oas deum modo mais eficien te. A nece susidade edoaperf eiçoar maquia levar progre sso ào ciência. timomane ira me cânica de nárioajudo medir a pr essãosang uínea O tear mecânico , construí do em 17 64 por usada téa o final do csé ulo XX.James Hargreaves, usava maquinário sim89
MAS SA EM MOVIMENTO -
MECÂNICA
), queele iniciou aos 19 anos econcluiu pies pa ra acionar oit o fusos girandose uma tica , Lagrange present a ou uma síntese única roda. estrutura A degua á, desenvol aos 52 período com vida por Thomas Arkwright na Inglaterra de tudoo quese passou nesse o sistema matemáti co, em 177 1, e usada para fiar era acionadaporbase em seu própri scre via os li mites de um sist emame meio de g á ua corrent e. Os primeiro s apa que de relho s movidos a vapor era m bomba s, ma s cânicoem termo s de todass variaçõ a es que podiam acont ecerno curso de asu história com o mot or a vapor bastante primorado a expre ssausando cálculo . As equ ações de a L de James Watt , a potência do vapor pode nam aenergia nét ci ica deum ser usada para azer f m uitos tipos diferentesgrange relacio de traba lho. Essa s invenções nã o foramfei sistemaàs suas coordenada s general izadas, tas porísi fcos,mas por pe ssoa s quepreci saforça s genera lizadas e tempo.Seu livro não vam realizar uma tarefaprática e procuravam contém diag ramas - umarealização no tável uma solução.Essa s sol uçõesforamfruto de para um liv ro sobremecânica ,- seus mé observ ação einspiraçã o, e não deteorizaçã o. todos usam cálculoe excluem ge a ometri a. A ciência logo entrou em cena para ajudar a Seu traba lho simpli ficou muito s cálculo s expli car e aprimo rar omaquinárioda Revo em dinâmica, o a lidar com unções f scala e lução ndustri I al, e tem feito isso de sdeentã o. um res d ea cinéti ca energiaaceleraçõ po tencial vezras de cúmulo deeforças, esem eout quantidades veto riais. a m e cân i ca ne w ton i ana em C olocando Tanto Euler quanto Lagra nge tam bém UMA NOVA POSIÇÃO abordaram a mecâ n i ca dos lui f d o s, ma s se As leis de Newton estabeleceram as bases a gens dif erentes. Euler de s paraa mecâni ca cl ássica, mas foram esten guiram borda cre veu o mov imento de ont p o s parti culares didas edese nvolvidas oa longo dos culos sé , enqua nto Lagra nge div idiu o subsequ entes. O matemá tico e cient ista em um fluido fluido em reg iões e ana lisou sua s trajetó rias. suíço Leonard Eul er (17071783) expa ndiu mático que deu contribuiçõ es o escopodas leis de Newton de partí culasOutro mate icativ as pa ra amoderna mecâ nica prá para corpos rígido s (corp os sóli dos ideali signif zados de nho formulo du as Elam tica ilt foi nobre irl andê s Sirse William Rowa ono(180565). Em u tra tadoOn an out raslei stama para xplicar e finito),q uee a s forçasu in ter ics(1835), ele e x nas dentrode um corpo não precis am serGeneral Methodin Dynam a deum sist ema m e termo s distribuí dasigualmente. O prin cípio daação pressou a energi de momentum e posição, reduzi ndo a dinâ mínima deEuler (quea natureza pr é egui ema no cálculode varia çosa) tem muit as apficaç ões na Física - no mica aum probl çõe s. A ref ormul açã o feita porele damecâ tavelmente queluaz seg ue atrajetória mais equ ações hamil tonianas sà curta. O brilhante m atemá tico talo í -francês nica clássicasna Joseph-Louis Lagrange (1736-1813) su vezes é chamada de mecânica hamiltoniana. ele de scobriu queexist e uma cede u Euler com o diretor daAcademia edNo processo, re a mecânica de New Ciências de Berli m. Ele ajudoua reuni r toíntima relação ent ton e a ótica g eométri ca. O signif icado de dos os no dese nv olvime ntos ana m ecâ nica new n seu traba lho não foi evidenciado até o sur toniana sécu lo após mort e de Newto to da mecânic a quânt ica quase 00 1 e os re formulo u na mecânica lagra ngiana.gimen s. Em MéchaniqueA nalytique (Mecânica Analí- anos depoi 90
COLOCANDO A MECÂNICA PARA FUNCIONAR
In
é r ci a e gr
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dade
v êm
ju n t a s
Entre o enu ncia do feito por Newto n das leis de inércia e gravidade eas teo rias darela tividade de Einstein veio ísico o f austríac o Ernst Mach (1838-1916). Newto n acre di tava que o paç eso fosseum pano deundo f absolutocontra o qu al o movi mento podia serplotado. Mach discordava, zendo di que o movimento po de sersemprerelati vo a outro objeto uo ponto.Como Ei nste in, ele a credi tava u qe somenteo movimento rel ativo faz sentido. Em consequência, a inérci a só pode ser n e tendi da se houver outrosbjeto o s para compa rarmos o mov imento uo a imobilidade de um corpo.Se não exist issem strel e as ou plantas,por exemplo,não seríamoscapazes de dizer que a Terragira.O princípio de Mach — que lee não apre sentou co mo pri ncí pio,foi Einste in que m cunhou o ter mo - foi enunci ado em term os bem ge rais como “a massalá n i fluenci a ainércia aqui ”. Sem mas sa “lá” não pode haverinércia “aqui ”. G
rande
e pequeno
Embora a mecâ nica new toniana pare cesse funcio narbem para objetos ma iores n o uni verso, ela começou a falhar quando aplicada
SIR WILLIAM ROWAN HAMILTON
(18051865)
Brilhante
desde
a infância,
Hamilton
aprendeu a ler aos três anos. Ele podia traduzir latim, grego e hebraico aos cin co, compilou uma gramática da língua síria aos 11 e aos 14 compôs uma can ção de boas-vindas em persa ao embai xador persa que estava visitando Dublin. O dom de Hamilton para matemática e astronomia era tamanho que ele foi elei to professor de astronomia e Astrônomo Real na Irlanda antes de se formar. Ele era muito dependente de álcool como fonte de alimento embora ele maior parte de seue, trabalho na fizesse sala dea jantar de sua casa, comia pouco além de cos teletas de carneiro. Dúzias de pratos com ossos de carneiro no local foram encontrados entre muitos de seus pa péis após sua
morte. Suas reali aos objetos minús culos.Quando os sicos fí tomara m ciênci a de partí culas atômicas e zações abrangeram os campos subatô micas, eles descob riram queas leis da da matemática, astronomia, humanida física,queeles onsiderava c m serfixas e imu des, dinâmica, ótica e mecânica. táveis para das to sa coisas, nãopareci am se aplicar m ais. As me nores partícul as podi am fazer coisa s estra nhas. A confiançaconquis nica cl ássica atin ge se us li tada om c dificuldadenasleis da sica fí es tavadentes. Amecâ la atômi ca, emvelocidades naufrag ando,e no sécu lo XX essas leispas mites na esca próximas àvelocidade daluz, e em campos sariampor um x eame rigoroso. acion ais intensos.ntes A deexaminar Em vez de trabalhar com otomo á degravit
monstrando que as todo ideias ode New ton o mo e como em elparece fiar pouc sa leis daáto natureza, precisa os vo ltardesa um o mente expli ca vam univ ers o, real ele ar a energia -a outra metade da mostrou que com sca e las muit o peque nas e examin a matéri a secomport a deforma s surpr een- equação massa-em-movimento.
CAPÍTULO 4
ENERGIA
campos e forças Quando uma força age para mover uma massa, parece óbvio para nós que há energia envolvida. Logo, pode parecer surpreendente que desde a Antiguidade, quando sefalava em força, a ener gia tenha do si amplamente negligenciada pelos primeiros filósofos naturais. O conceito de energia é relativamente novo, aparecendo apenas no século XVII. De fato, o termo “energia” (do grego energia , cunhado por Aristóteles) só foi introduzido com seu significado moderno em 1807 pelo gênio e erudi to Thomas Young da ( experiência da fenda dupla). As formas mais óbvias de energia são luz e calor, ambas as quais vêm livremente do Sol. A humanidade também aproveitou a energia química (liberada pela queima de combustíveis), a energia gravitacional de um corpo em queda, a energia cinética do vento e da água em movimento e, mais recentemente, a energia elétrica e nuclear.
O
rai o e o vento representam
natureza,
temidos po
m aciças expl
osões de energia na
r s eu po de r des tr uti vo.
ENERGIA
CAMPOS E FORÇAS
A con servação de energi a Assim como a matéria é conservada, não sendo criadanem destruí da, a nergia e tam bém é conservada . Ela pode rseconv ertid a de uma orma f pa ra out ra - e é assim que
aproveit amos energia pa ra re alizar um tra balho útil -, mas essa energ ia nuncaé real mente as gta. Galileu notou que um pêndu lo converteenergiapotenci al gravit acion al em energ ia cinética, ou energ ia do m ovimento. Quando o pênduloatinge seu ponto ma is alto da oscilação ele está momentaneame n te pa rado e tem energiatenci poal má xima. Esta é conv ertida em energ ia cinética qua n do o pêndul o se move, e sete recobra ener gia pot encial quando sobe no outro ado l de suaoscilação. I nventando
a
" en er g ia "
Não ficou imediatame nte óbvioque tipos diferentes deenergiaãos equ ivalentes. in A Relógios com pêndulo foram desenvolvidos pela primeira vez em 1656 por Christiaan Huygens: da hoje não há um entendi mento básicoo pêndulo sempre leva o mesmo tempo para do que se ja exatamente en ergi a e como el aoscilar.
"Existe um fato,ou se você preferir, uma lei, que governa todos os fenômenos naturais conhecidos até a presente data. Não há exceção conhecida a essa lei- ela é exata, pelo que sabemos. A lei é chamada de conservação de energia. Ela estabelece que existe uma certa quantidade, à qual chamamos de energia, que não muda nas diversas transformações sofridas pela natureza. Esta é uma ideia muito abstrata, porque é um princípio matemático; diz que existe uma quantidade numérica que não muda quando algo acontece. Não é uma descrição de um mecanismo, nem algo concreto; é estranho que podemos calcular um número e quando terminamos de observar a natureza analisamos suas manobras e calculamos o número de novo, é igual." Físico americano Richard Feynmann, 1961.
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Uma esportista que patina no gelo pode acelerar seus giros mantendo os braços próximos ao corpo, ou dar giros mais lentos ao esticar seus membros.
A CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
* funciona. O matemático alemã o Gottfried Leibnitz (1646-1716) explicou m atematica mente aconservaç ão entre dif erentes tipo s de energ ia, aos qua is cham ou de vis va. vi Seu traba lho, juntamente com observaç ões do ma tem ático e filósof o hol ês Willem Gravesa nde (16881742), o fa i nd aprimorado pelo ísico f ra f ncês Marquise Emil e Du Châtelet (17061749), que definiu a energ ia de um corpo emmovimento como prop orcio nal à su a massa multiplicadapor suavelo cidade ao quadra do. A atualdefinição de energ ia cinética é muitopróxima diss o: Ek= V2 mv2 L utando
co m
o
fogo
As primeiras teorias sobre como e por que as coi sas queimam cent se ravam e m umOs humanos usaram o fogo durante milhares de componente que se supunha ser ma téria in anos sem entender como ele funcionava. flamável,chamada flogisto. Quando o mate rial eraqueimado, libera va o fl ogisto.Esta não era rea lmente uma teoria sobre aner e mentos - terra, ,arágu a e fogo - datando da gia, mas sobre udança m s físicas equímicasépoca deEmpédocl es (veja apágin a 30) e provoca das pelo fogo. A teoria ori ginou-se subs tituiu-o por trê s tipos de terr a: terralaem 16 67 como traba lho do quími co Johannpidea, terra lui f da e terra pinguis. m E 1703, Becher(16351682). Ele reviso u o modeloGeorg e Ernst S tahl 16 ( 60-1734), profes antigo de ma téria queabrangia qua tro elesor demedici na e quími ca na universidade MÁQUINAS DE MOVIMENTO PERPÉTUO O princípio da conservação de energia poderia sugerir que é possível fazer uma máquina de movimento perpétuo: que usa a energia produzida para manter-se em ação, reciclando constantemente sua energia de formas diferentes. A ideia foi sugerida pela primeira vez por volta de 1150 pelo matemático indiano Bhaskara (1114-1185), que descreveu uma roda que ao rolar derrubava pesos ao longo do comprimento de seus raios, o que propelia seu movimento. Mesmo Robert Boyle, respeitado por seus conhecimentos, propôs um sistema que enchia continuamente um copo de água, esvaziava-o e tornava a enchê-lo. Contudo, todas as ideias para máquinas de movimento perpétuo são falhas, pois se perde energia na fricção e com a ineficiência. No século XVIII, tanto a Academia Real Francesa quanto o Escri tório de Patentes Americanas estavam tão sobrecarregados com solicitações e propostas de máquinas de movimento perpétuo que as proibiram.
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ENERGIA
CAMPOS E FORÇAS
Laboratório de Lavoisier em Paris.
de Halle na Alema nha, mudou ligeirament e o modeloe o renomeo u de “flogisto” terrapinguis. O flogisto era consi dera do uma substância inodora, sem cor ne m sabor, ibera l da por com bustã o de uma ma téria. Depois daliberaçã o do flogisto, em geral a na tureza damatéria quei f i queimado, nem o ferro se enferru mada é diferente,como quando ma a deiraalgo o jará nele. se transf orma m e cinza. oN entant o, se a matéri a for queimadame espaço fecha do, A teoria não se tornou favorável a uma ção químicaaté que Antoine-Laua queimapode nãor i até o na fi l, pois oarexplana avoisier (veja pág a ina 40) demonstrou se torna sa tura do de flogisto.Havia dif iculrent L que , qua ndo o materi al queima ou da oxi , ele dades paraxpl eicar como às vezes osmetais o oxigênio. A perc epçã o de ganham massaquandoqueimadosu oaquecombina com qu e iss o tinha igaçã l o com proce ssos vivo s cidos(agora se be sa que les e o f rmam óxi ção tambémexige oxigênio dos), ma s os teóri cos doflogisto davamuma- que a respira a de queos proces sos qu í solução ardi losa para isso. E les laega vam foi aprimeira pist que às vezes o logisto f micos são essênci a davida. Enquanto o flogisto e não em t pes o, às vezes depois o x oigênio expli ca ele te m peso positivo e ram o processo quí mico de às vezes seu peso é ne combu s tã o, o própri o calor gativo ; logo, a perda ed permanece u ummistério até flogisto po de aume n 17 37, qua ndo Du Châtel et tar a massa da matéri a propô s o quemais tarde foi queimada. O flogisto rec onhecido como ra diaçã o também temimplica infravermelha. ções para ferru a gem e os siste mas vivo s - uma criatura nã o conseg ue viver no ar “impreg nado deflogisto” ond e Georg Ernst Stahl. 96
A CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
GABRIELLE EMILIE LE TONNELIER DE BRETEUIL, MARQUESA DU CHÂTELET (1706-1749) Filha de um aristocrata francês, Émilie Du quisou secretamente sobre as propriedades Châtelet era considerada alta demais para do fogo. Neste, ela sugeriu que cores dife uma mulher; por isso seu pai achava que rentes de luz tinham potências diferentes ela não se casaria. Como consequência, ele para o calor, encobrindo a identificação da empregou os melhores tutores para ela (ela radiação de infravermelho. Ela não ganhou a falava seis línguas aos 12 anos), e cedeu ao competição, mas seu trabalho foi publicado. interesse dela pela física e a matemática. Sua Um de seus experimentos envolvia der mãe desaprovava e queria mandá-la para rubar balas de canhão em uma cama de um convento, mas felizmente a opinião de barro úmido. Ela descobriu que ao dobrar a seu pai prevaleceu. Émilie desenvolveu um velocidade da bala, esta ia quatro vezes mais interesse pelo jogo, usando matemática fundo no barro, mostrando que a força é para aprimorar suas chances de ganhar, de proporcional à massa vezes a velocidade ao pois usava o que ela ganhava para comprar quadrado (m X v2), e não, como disse New livros e equipamentos de laboratório. ton, massa vezes velocidade. Émilie casou-se e teve três filhos. Como seu marido costumava ir para campanhas militares ou visitar suas inúmeras terras, ela tinha liberdade para prosseguir os es tudos científicos e ter amantes provavelmente entre eles incluiu-se o escritor e filósofo Voltaire, cujo verdadeiro nome era François-Marie Arouet. Ele certamen te era seu companheiro íntimo e passava muito tempo nas terras de Du Châtelet em Cirey-sur-Blaise, onde o casal dividia um labo ratório. Émilie traduziu Principia, de Newton, e escreveu Institutions de Physiques (1 740), que tentou reconciliar as visões de Newton e Leibnitz. Em 1737, ela entrou em um concurso da Académie de Science com um trabalho que pes Émilie Du Châtelet foi uma notável físicaum emprivilégio um tempodos em homens. que a ciência era
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Termodinâmica
Um dos experimentos de Rumford com barris de canhão. Ele propôs que o calor move partículas, e ed e pode ser causado por fricção.
O dese nvolvimentodo moto r a vapor muitas utras o má quinas com moto r durante a Revoluçãondustrial I significou que havia uma necessi dade cada vez mais gent ur e de O modelo caló rico sugeria qu e o calor ente nder atermodinâmica - como o calor é uma fo rma de matéri a, um ipo t de gás é produz ido, transf erido e como podeser compartículasindestrutív eis.Os átomos de empreg ado pararealiz ar tra balho físico. r Duas teorias so bre anaturez a do ca lor, nãocalor - ou calóricos -podiam es combina com táomos de outras subst âncias ou usar mutuame nte exclusiv as, mas inco mpatíveis, espaços li vres eesgueirarse entreos áto eram correntes no cu sé lo XVIII: o mode lo mos em outra matéria. avo L isier propôs a calóricoe o modelomecânicode calor. exist ência ed calóricos enqua nto detec tava O modelomecânico se baseia no mo o flogisto. Ele acr editava que os átomos ca vimento de partículas mínimas. A teoria lóricos oss f em um constituinte do oxigênio cinética degases tem su as origens novro li e sualiberaçã o produzisse o ca lor dacomHidrodinâmica, de Daniel Bernoull i, pu blicado em1738. Ele sugeri u queos gases são forma dos po r moléculas emmovimen to. Quando elas bombarde iam asupe rfície, "Agora estou tão convencido da não existêno efeito é de pres são; suaenergia cinét ica cia de calor quanto estou da existência da é senti da como calor. Este modeloainda é luz." Humphry Davy, 1799. aceitoatualme nte. 98
TERMODINÂMICA
CONGELADO
Assim como se supunha que o calor fosse resultado do calórico, alguns cientistas dos anos 1780 acreditavam que o frio pudesse
do gelo. Mas os de fensoresodmodel o ca lórico argument aram, sugerindo quea mas sa do calóri co era de spre zível. Observaç ões adicio nais de Conde Rumfo rd deque oato de fazer uros f no me tal, como osbarri s de
ser uma produzida pela pre sença de propriedade uma substância chamada "frigórica". Esta foi desacreditada pelo filósofo e físico suíço Pierre Prévost (1751-1839), que afirmou que o frio é simplesmente a ausência de calor e mostrou em 1791 que todos os corpos, não importa o quanto pareçam ser frios, radiam calor.
canhão, produzia uma e norme q uanti dade de ca lor, juntamente com xperimentos e realizados peloquím ico inglês lEumphre y Davy (17781829 ), deve riam ter de mons trado atodosque ateoria caló rica estava errada,umavez que eles mo straram que o calor podia se r produzido por traba lho fí sico. Embora algumaspessoasduvidasse m da teoria calórica, as conclusõesdo Con de Rumford e Davynão foramaceitas até que glês James Prescott Joule (1818bustã o. Quando o ca lor era produzidopor o físico in fricção,sso i oco rria porque os átomos de1889) repet isse parte de seus experiment os t calóri cos eram friccio nadospelo corpo em50 anos maisarde. Joule realizou experiências para demons movimento. trar queo trabalhooderia p r conv se ertido O físico Be njam in Thompson,Conde mplo,forçar gu á a fazen de Rumfo rd (1753 -1814), nascido nos sta E em calor. Por exe do pre ssã o através de um c i lindro perfurado dos Unido s, conduziu um exper imentono a a temperat ura daágua. sI so lev ou às qual e psa va ge lo e o pesa va de nov o depo iselev base s para a teo ria da conserv açã o de ener de derreter.leE descobriu que não ha via di r meio de suatransf erência em forma s ferença disce rnível no pes o, sugerindoque gia po dif ere ntes, e mostrou que o modelo caló rico não havi a ganho caló rico no derre timento de calor não esta va corre to. (Estranham en te, a conservaçã o da energ ias do calo fazia parte od modelo caló rico , poi tra nsf orrmava o calo r emmatér ia, quejá se sabia que era conservada.) Joule calculou que a quantidade de traba lho necessá ria para ele var a temperatura de 450 g de água emum grauFahren heit era
Equipamento de joule para medir o equivalente mecânico do calor.
99
ENERGIA CAMPOS E FORÇAS
A FÍSICA SE TORNA ESTATÍSTICA A formulação de james Clerk Maxwell das velocidades moleculares forneceu uma forma de calcular a proporção de molé culas com uma velocidade específica (ou a probabilidade de uma partícula ter uma velocidade específica) em um gás em que as moléculas têm movimento livre. Foi a primeira lei estatística em Física. Ela foi substituída pela distribuição Maxwell-Boltzmann, que refina a técnica e as su
sobreos resultados.Joule concluiu que oac lor é umaforma e d movimentodos á tomos. Emborao modeloatômico da matéria nã o fosseaceito universa lment e naquel a época, Joule teve pleno conhecimento dele pelo quím ico n i glêsJohn Dalton (veja a página 41) e o ace itava sinceramente. AS LEIS DA TERMODINÂMICA
Três leis da termodi nâmica estabelecera m os limites sobre o que pode enão po de ser fei to em qualquer sist em a que nvo e lve ca lor e posições de Maxwell. energ ia. As lei s apare cera m durant e o sécu lo XIX, umavez queo calo r ganhou aceitaçã o geral co mo o m ovimentodas partícul as. umaforça e d 838 pés-libras. Um ( pélibra é A primeira lei da termodinâmica, for o torque- ou forçade torçã o - cria do pe lamulada por Rudolf Clausius 1 ( 822-1888) força deuma li bra ag indo em umadistânciaem 18 50, é essenci almen te uma decl ara perpendi cular dem u péde um ponto vô.) pi ção daconserv ação de nergi e a: a mudança Ele tento u método s diferentese obteve re na energia tern in a de um sist ema éigual sultados simi lares,evandol o a aceitar quesuaà quanti a de calor fornecidoa ele me nos a teoria e seus dados estavamaproximadaquantidadede trabalho reali zado pelo sis mente correto s. tema.Em outras palavras, a energia nunca é O traba lho de Joule o f i recebido sem criada nemdestruída. A lei, conforme stabe e entusias mo, em parte por ntar co com me di lecida por Cl ausius,foi baseada na dem ons ções muitoprecisa s - diferenç as na tem pe traçã o de Joule de q ue o traba lho (ou ener ratura de 1/ 200 de um grau. gia) é equivalente oa calor. Asegunda leida Quando (mais Mic hael Fara day e William Thomson tarde Lord Kelvin) ouvi ramJoule apresentaru se traba lho em 18 47, ambos demon straram int eresse , mas levo u muitotempo para compartil hare m essa vi são. A primeira colaboração com Thomson acont eceu quando os doi s se encon traram , enquanto o J ule estava em luade-mel. Eles planejaram me dir a diferençana temperatu ra da ág ua notopo e na base de uma queda d’água naticável. França ,Thomson mas no inal isso ou se r impra ef Joule se prov cor Um motor a vapor converte a energia do calor respon dera m de 18 52 a 1856; Joule real i em energia cinética para impulsionar um veículo zava xperiências e Thomson e come ntavaou um maquinário. 100
TERMODINÂMICA
NICOLAS LÉONARD SADI CARNOT (1796-1832) Nascido em Paris, França, Nicolas Carnot era matemático do motor a vapor que ajudou o filho de um líder militar e primo de Marie os cientistas a entender como ele funciona François Sadi Carnot,deque foi apresidente da va. Embora Carnot expusesse suas conclu República Francesa 1887 1894. Desde 1812, o jovem Carnot frequentava a Escola sões em termos do modelo calórico, seu tra Politécnica em Paris, onde provavelmente balho estabeleceu as bases para a segunda tenha aprendido com físicos notáveis como lei da termodinâmica. Ele descobriu que um motor a vapor produz potência não por cau Siméon-Denis Pisson (1781-1840), Joseph sa do "consumo de calórico, mas [por causa Louis Gay-Lussac (1778-1850) e André-Marie Ampére (1 775-1836). O motor a va do] seu transporte de um corpo quente para por, em uso desde 1712, foi imensamente um corpo frio" e que a força produzida au menta com a diferença na temperatu aprimorado por James Watt mais de ra "entre o corpo quente e o frio". 50 anos depois. No entanto, seu Ele publicou suas conclusões em desenvolvimento foi em grande parte uma questão de tenta 1824, mas seu trabalho ganhou pouco reconhecimento até ser tiva e erro e intuição, e de retomado por Rudolf Clausius pouco estudo científico. Na em 1850. quela época, Carnot começou Carnot morreu de cólera a investigar o motor a vapor, com apenas 36 anos. Para pre ele tinha uma eficiência média venir qualquer contaminação, a de apenas 3%. Ele se propôs a maioria de seus trabalhos e ou responder a duas perguntas: "O tros pertences foram enter trabalho disponível de uma fon rados com ele, restan te de calor é potencialmente do apenas seu livro ilimitado?", e "Os motores a calor podem ser aprimora dos substituindo-se o vapor por outro fluido ou gás?". Ao tratar dessas questões, ele chegou a um modelo
como testamento de seu trabalho.
Nicolas Sadi Carnot
a da máquin a depende da diferença termodi nâmica, na realidade, fo i des cober- eficiênci tura entre osoisd corpos. Porta antes a d primeira. Oengenheiromilitar em tempera tanto , um mot or a vapor usa ndo vapor sufrancês Nich olasum S Carno t (v ejacalor obox aima ue cidopro duzirme ános maisaquecido traba lhoe,doevenque um q usa ndo vapor desc reveu aadi máquina de idealc teó)- pera tualmente, um motor (como adiesel)que rica em que nenhuma ergia en se perde ou é cmbustí vel a uma temperatura mais desperdiç adana fricção e demonst rou quea usa o 10 1
ENERGIA
CAMPOS E FORÇAS
O DEMONIO DE MAXWELL
Em 1871, James Clerk Maxwell propôs um exercício hipotético para tentar contradizer a segunda lei da termodinâmica. Ele descre veu duas caixas adjacentes, uma contendo gás quente e uma contendo gás frio, com um pequeno orifício conectando-as. O calor desloca-se da área quente para a fria, partículas rápidas colidem com partículas lentas provo cando a aceleração delas e vice-versa. Even tualmente, o gás em ambas as caixas conte rá uma distribuição parecida de partículas e velocidades e terá a mesma temperatura. No experimento, no entanto, um demônio, um ente inteligente microscópico, posta-se em um orifício regulando partículas que possam passar por ele. O demônio abre o orifício para permitir que partículas passem rapidamen te da caixa de gás frio para a caixa de gás quente. Dessa forma, eleva-se a temperatura do gás quente à custa do gás frio e diminui-se a entropia do sistema. Mesmo assim, o siste ma não pode contradizer a lei, pois qualquer coisa que desem penhe a função do demônio pre
‘ifg f
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para trabalhar. Em 2007, o físico es cocês David Leigh fez uma tentativa em nanoescala em uma máquina. Ela separa partículas que se movem rá pida e lentamen te, mas precisa de uma reserva pró pria de energia.
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alta se rá mais eficiente ianda. Co mo mnitos dos traba lhos sobre termod inâ micano sé culo XIX, Carnot to mou o projeto do maqu inárioexistente com o pontode partid a paraexplorar e expli car o mecanismofísicoqueo fazia fun cionar. A ci ência prá tica impul sionava a ciência teórica. Carno t enuncio u suas descoberta s em termos de calóricos, e foi Clausius quem enu nciou novamente alei em ter mos deentrop ia, dizendo que um siste ma tende sempre a um estador maio de entropia. A entropi a é consi dera da comume nte comodesord “ em”.Mais pr e cisame nte, é umamedida da indisponibilidade de energia um em sis tema pa ra reali zar traba lho; em qualquer sistema real,certa energi a seperd e sempreme calor dissipa do. Quando o combustív el é queimado, a energia conv é ertida de um estado organizado (baixa ntro e pia) par a um esta do deso rganizadoalta ( ntro e pia). A entropia total do universo aumenta toda vez que há queima de combustí vel. Clausius resumi u a primeira ea segunda lei dizendo que qua a ntidade deenergia no uni verso perma nece co nstante sdo suaentro pia tende oa máximo. O fim ma univers o, se isso or f levad o ao extrem o, seráumavastasopa detomos á di ssocia dos. E ssa situação, cham ada morte do universo por ca lor,foi propo sta p elapri meira ve z por Clausius. A terceira lei da termodinâmica seguiu bem mais tarde,em 19 12. De senvolvida pelo físico e químico alemão Walther Nernst18 (64-1941), enuncia que nenhum sist ematem pode tingi ao rmo o zero b asoluto, cuja p eratura vimento atômico quase cessa e a entro pia tende aum mínimo ou zero.
CALOR E LUZ
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A terceira lei da termodinâmica 1 requer o conceit o de um a tem peratur a mínima aba ixo da qual nenhuma temperatura pode ir ca - conhec ida c omo ze ro ab soluto. Robert Boyle discu tiu pe la primei ra vez o co nceitode umatempera tura míni ma possív el em 16 65, em New Experiments and Observations TouchingCold, noqual se referia à ideia com oprimumfrigidum.Mui tos ci entistas daépocaacre ditavam na existência de “algum corpo que é, por sua própria natureza, sup re mamente rio f e pela pa rticipaçã o
Um termômetro de Galileu depende da variação na pressão com a temperatura; ao zero absoluto, não há pressão exercida, pois os átomos não se movem.
se apressã o é manti da co nstante, o volume de um ás g aument a em 1/ 273 para cada alta de 1°C acima de zero. Disso,ele pôde xtrapolar e no vamente, 1 atribuindo -273°C ao zero bsol a uto e aproximando-se ainda mais damedid a correta. O problematomou umrumo
do qua latodos osoutros corpos bo dif erente pois Joule mostrou que o calo rde é meque cânico . Em 184 8, têm ess quali dade”. William Thomson (ma is tar de O físico ra f ncês Guillaume Lorde K elvi n) concebe u uma es Amontons (1663-1705) foi o pri cala de temperat ura com base nas meiroa ataca r o pro blema na prá leis da termod inâmica, e não na s tica. Em 1702, ele con strui u um propriedades de qualq uer subs termô metrode ar, e declaro u que tância (ao ont c r ár i o de Fahrenhei t a temperatura em que oar nã o ti ontrou umvalor para nha “f onte” paraafetara medida era o “zeroe Celsius).Kelvin enc o z ero b a sol uto que é aceito ainda hoje, de absoluto”. O zero na secala dele ra e em tor no de 240 - °C. O mate mático e fí sico su íço-273,15°C - muito próximo dovalor deriva do do termômetro de ar e da teori a de GayJohann (1728-1777), que c. A escala Kelvin baseia-se naescala propô s Heinrich uma sca e Lambert la de temperatura absol uta -Lussa e não em 17 77, refi nou esse dado para-270°C Cel - sius, mas começaem -273,15°C, em 0°C. E mbora ltame a nte in f luente, uma muitopróxi mo daquele ace ito atua lmente. vez que se tornou cavaleiro e foi indicado Contudo, essa medida quasecorreta nã o dente da Royal Society, Kelvin não foi um foi ace ita universa lmente . PierreSimon Presi cientista muito escla recidoe rejeito u tanto a Laplace eAntoine Lav oisier suge riram m e e de Darwin qua nto a exis 1780 queo zeroabsol uto pode se r 1.500 teo a ria da volução tênci a de átomos. 3.000 raus g ba a ixo do pont o de co ngela mentoda água, e que no mínimo deve se r 600 gra us ab aixo do congelam ento. ohn J Calor e luz os estáclaro para a Humanidade Dalton atribuiu 300 - 0°C. Jose ph Gay-Lus- Há milêni f luz e lor, ca ma s sac cheg ou mais perto,depois de investi que aluz do Sol ornece gar comoo volume ea temperatur a deuma ligação ent re eles só foi exp licadarecen gás estã o relacio nados.Ele descobri u que temente.A primeira pessoa que es sabe 103
ENERGIA CAMPOS E FORÇAS
O QUANTO É FRIO? O zero absoluto não existe nem no espaço externo. A temperatura ambiente no espa ço externo é de 2,7 Kelvin, uma vez que a radiação básica da micro-onda cósmica - o calor resultante do Big Bang - está presen te em todo o espaço. A área mais fria é en contrada na Nebulosa de Bumerangue, uma nuvem escura de gás com apenas 1 Kelvin. A temperatura mais baixa já atingida artifi cialmente é 0,5 bilionésimo de um Kelvin, atingida brevemente em um laboratório do Massachusetts Institute of Technology (MIT)
em 2003.
ter not ado essaligação o f i um caadê mico Émile Du Châtelet estabeleceu uma li italiano Giambattista delia Porta (c.1535gação entre calo r e luz quando notou queo 1615) que, em 1606 , notou o efeito dopoder d e aquecimento da luz variava com aquecimento da luz. Erudito, deliasua Porta cor. E mbora isso ivessea se assemelhar foi dramaturgo e cientista, tendo publicado ao espe ctro eletro magnético e à descob er sobreagricultura, quími ca, ífsica emate ta daradiaçã o de raios infraverm elhos, não mática. Seu Magiae naturalis (1558) inspifoi desenvolvido na época . Em 1901, Max rou a unda f ção da academia científica tia Planck (veja o inel pa aseguir) fez uma de s liana, a Accade mia de i Lincei, em 1603. (A coberta importante ligando a luz e o calor página de título do livro foi ilustradaenqua comnto o pesqu isava aradiaçãodo corpo desenho deum do lince,cient e ista oprólocom goocoaquele ntinhanegro , mas sse e foi um avanço casual, um uma descrição resultado acidental. Esta descoberta, no que, “com olhos de lince, examina a quelasentanto , viria a formara base damecâ nica coisas quee smanifestam,de modo que oa quântica. observá-las possa usá-las com cautela.”) R adi açã
o
do
corpo
negro
e quanta
de
ENERGIA
"[A solução quântica ao problema do corpo negro] foi um ato de desespero porque era preciso encontrar uma interpretação teórica a qualquer preço, não importando o quanto esse preço fosse alto".
Max Planck
104
Muitos tipos dematerial bri lham ao sere m aquecidos, emit indo uz l quevai do verme lho pass ando do am arelo para o bra nco. O com primentodas ondasadluz emit idas atempe raturas ma is alt cada vez ma o ade en quantoestas eas s mé ovem para ais extrcurt emid azul doespe ctro. À medida questee é cresa
CALOR E LUZ
A Accademia dei Lincei ocupa o Palazzo Corsini em Roma desde 1883.
Embora ele qua se tiv esse obtido um re sultado co rreto para sua equa ção, eve t de fazer suposi çãoção estranha para la a perfeituma a. Essa suposi eraque emtornávez de luz vir da a cixa m e umfluxo constante , como ele po deri a esperar que con atecesse com a onda, el a tinha deser cortada m epequenas partes desco ntínuas ou em pacot es deonda - ou qua nta. P lanck nã o pretendia que os quanta de energi a se torn asse m parte doec nário da física . Ele osvia como um a rtifício matemá tico engenhoso quefuturamente se ria substi tuído por umanova de scoberta ou cálculo . Ele estavatotalmentenga e nado! O
utras
formas
d e e ner
g ia
Enqua nto a luz e o ca lor era m exa minados, centa do à luz am arela evermelha, o bri lho doalguma s formas novas de energia também corpoquente setorna m ais branco e, depois,estava m chama ndo a atenção da muni co mais azul.O grá fico quemostrassa e distribui dade cient ífica. T ipos de energ ia queforam ção de ca lor e cor é cha mado de curva dor co orados durant expl e anos sóforamnomea dos po neg ro. O “corpo negro ”éa lgo que ab sorve no século XIX. O cien tistafrancês De Cori otoda a radiaçã o queincide sobrele.e Uma cai lis (17921843) desc reve u a energ ia cinética xa feit a de grafite com um orif ício minúsculo em 1829, e o termo “energia potenci al” oi f é uma boapro a ximação de um corpo negro cunhado peloísico f esc ocês Wilfiam Rankine perfeito(o orif ício unc f iona como corpo ne gro). Quando o corpo neg ro é aquecido,ele brilha, radiando luz compri a mentos deonda diferentes pa ra dif erentes tempera turas. Acor da luz radiadapende de to talmente da tempe ratura, e onã do materi al do corpo. Planck tento u calcular a qua ntidade xa e ta de luz emit ida a omprimentos c de onda diferentes por umorpo c negro que consi s tissede umacaixa pretaom c umorifício mi núsculo nela. A 7500 K o corpo negro irradia luz no extremo violeta do espectro; a 4500 K ele mudou para o vermelho.
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ENERGIA CAMPOS E FORÇAS
(18201872) em 185 3. O primeiroentre sa fontes denergia e reconhecidas recentemen te foi a leetrici dade . Emboraos ra ios fosse m interco rrências onhecidas, c gué ninm havia perce bido que envol viam eletri cidade. Descobrindo a eletricidade
O espectroscópio, trabalhando a partir da luz emitida pela lava incandescente, pode ser usado para calcular a temperatura da lava a partir de
O primeiro tipoa ser descobe rto foi a eletri cidade státi e ca. Me smo emtempos anti gos, as pes soas sabiam queregar esf âmbar ou azeviche gera va um tipode força qu e fazia o materi al atrair plumas peda e ços de ma te rial, mas a natur eza da tração a não era en tendida . O filósofo natura l inglês ir S Tho mas Brow ne (160 5-82) definiu “elétrico ” como “um pod er de atrair pal ha e corpos
uma erupção vulcânica.
leves, e conv erte r a agulha colo cada livreMAX PLANCK (1858-1947)
Max Planck teve uma longa, mas trágica vida. Nascido em Kiel, no ducado de Holstein (atual Alemanha), ele primeiro quis ser um músico. Quando perguntou para outro músico o que deveria estudar, o homem lhe respondeu que se ele precisava pergun tar, ele não seria um músico. Ele, então, vi rou sua atenção para a física, somente para seu professor de física para dizer-lhe que não havia nada para ser descober to. Felizmente, Planck se viu preso nisso e sua formulação de quanta preparou as bases para a maior parte física do século XX.
um de seus filhos foi morto na Frente Ociden tal, e outro, Erwin, foi levado como prisionei ro pelos franceses. Sua filha, Grete, morreu no parto em 191 7 e sua irmã gêmea, Emma, morreu da mesma forma em 1919 (depois de casar-se com o viúvo de Grete). Em 1944, a casa de Planck foi inteiramente destruí da durante um bom bardeio aliado e seus trabalhos científicos e correspondências foram totalmen te perdidos. A gota d'água veio em 1945 quando Erwin foi exe cutado pelos nazistas por conluio em uma
A primeira mulher de trama para assassinar Planck morreu em 1909, possivelmente de tuHitler. Planck perdeu o desejo de viver depois berculose. Durante a Primeira Guerra Mundial,da execução de seu filho e morreu em 1947.
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DESCOBRINDO A ELETRICIDADE
Cera dor de eletricidade de Otto Von Guericke, ele funcionava com eletricidade estática.
mente”. Em 16 63, o cienti sta ale mão Otto Von Guericke onstruiu c o prime iro gerador eletrostático. Guericke já tinha feito expe rime n tos com a pre ssão do ar que mos travam a possibi lidade ed um vác uo (veja aos geradores de letri e cidade estática mera página 37). Se u gerador eletro stático -ou atrações pulares po em palestras de ciência “máqu ina defricção” -usava um globo defeitas m e público . Duas pessoas, um pro enxof re que ao sergirado ericci f onado com fessor ho landês de ma temátic a cha mado as mã os gerava uma carga . Isaac Newt on suPieter va n Musschenbroek (16921761) e geriuo uso de um globo de vidro em vez clérigo ão Ewald GeorgVon Kleist de um de nxof e re, e em projeto s posterio o (17001748)alem invent aram independenteme n res fo ram empre gados outro s materiais.Em te a g arra fa de Leyden po r volta de 17 44. 1746, uma má quina de rifcção co m umaComprimindo um frasc o até ametade ed roda gra nde que irav g a vário s globos de água, com uma haste metal de ou com um vidro usava uma espada e o barril de uma arameatravés da lhro a, este ra e um meca arma suspensos em cordas decomo seda nismosimples para rma azenar eletrici dade . condutores; out ro usa va um a almofada de Um proj eto ma is eficiente tinhama u fol ha courono u l gar da mão; e um, e f itoem 17 85,de metalna part e extern a dagarrafa. envol via dois cil indro s cober tos de pele de Quando Von Kleist tocou la peprimeira lebre que eram fricci onados um no outro. vez em sua garrafa, um choque elétrico for Experime ntos com eletri cidade pa ssa te o derrubou no chão. A garrafa deLeyden ram aser mais comu ns no sécu lo XVIII, ese tornou umaferra mentavaliosa em expe riências comeletricidade eé a origem do capacitor moderno. en B jamin Franklin, in vestigando a garrafa, descobriu que a carga é manti da no vi dro, e não na ág ua, co mo se supôs anterio rmente. Folhas de outro batido
Folha de de estanho
Garrafa de Leyden
P i pa s e trovões
O cientista am ericano Benjam in Franklin (17061790),que jaudou a esboçara De clara ção da Indepe ndência Americana, oi f o primeiroa demonstrar a nature za elétrica do ra io em 17 52. Em um experimentofa moso, ele testou asuteoria ligando uma 107
ENERGIA CAMPOS E FORÇAS
A PRIMEIRA MÁQUINA TENS No Egito Antigo, peixes-gato elétricos (siluros) podem ter sido usados para fins médicos, e certamente os romanos achavam o peixe negro torpedo útil para aliviar a dor. Como o peixe negro torpedo (Torpedo torpedo) produz uma carga elétrica, pode ser usado como a máquina TE NS (Estimulação Elétrica Nervosa Transcutânea) para aliviar a dor. Os romanos usavam o peixe para aliviar a dor de gota, de cabeça, em operações cirúrgicas e durante o parto. O peixe não sobrevivia ao procedimento (presumivelmente porque fosse usado fora d'água). Tentativas de imitar o efeito do peixe elétrico tiveram seu ponto alto no torpedo de couro feito por Henry Cavendish em 1776. Depois de estudar o peixe, primeiro ele fez uma cópia em madeira, mas descobriu que esta não conduzia bem a eletricidade. Seu segundo peixe foi feito de pedaços de couro grosso de carneiro com placas finas de estanho em cada lado para simular os órgãos elétricos. Ele ligou as placas à garrafa de Leyden e mergulhou o peixe de couro em água salgada. Ao colocar sua mão na água perto do peixe, ele sentiu um choque parecido àquele descrito por pessoas que sentiram os efeitos de um peixe torpedo.
vara de metal a uma pipa e amarrando uma pulares como entretenimentos científicos, chave naoutra pontaodfio. Ele em pinou às veze s envolv endo voluntáriosinfelizes e uma pipa durant e uma tempestade, com provavelmente participantes involuntários. uma cha ve pendurada perto de umagarrafa A primeira pessoa a executar experiências de Leyden. Mesmo sem raios, havia car sistemáticas sobre eletricidade foi o fingi ga elétrica suf iciente nas nuvens pa ra quedor inglês cienti e sta a mador Stephen G ray o fio úmid o conduz isseeletri cidadepara a (16661736). Seu “bom menino” era um po chave e fizesse ag f ulhas alcançar ga arrafa bre ga roto de rua su spenso po r umacorda de Leyden. Franklin sug eriu isolante enquanto segurava que a eletri cidade pode ter uma haste devidro com carg a neg ativa ou po sitiva. carg a elétri ca, a fgulhas vi Ele inventou o ara p -raios, nham deseu nariz quando que leva acarga elét rica de ele atraía partículas minús um ra io até aterra co m se gu culas ed folha de metal. rançaatravés de umnduít co e Além de ser divertidas (pelo de m etal,e tam bém inv en menos para o públi co), as tou o alarme de relâmpa gos experi ências de Gray, em (veja o painel inte). segu 172 9, demonstraram cona dutividade - que a eletrici dade podi a ser tra nsmit ida E letr i ci da de n a moda de um ma t eri al para outro , Experimentos com eletri inclusive pela gua. á Em cida de tornar am-se poBenjamin Franklin realizou experiências com raios para investigar a eletricidade.
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uma experi ência parecida, uma carga elétrica erapas sada a o longo de um a fila
DESCOBRINDO A ELETRICI DADE
"Em setembro de 1752, ergui uma barra de ferro para dirigir o relâmpago para dentro de minha casa, a fim de fazer experiências com ele usando dois sinos que avisavam quando a barra estivesse eletrificada . Um recurso óbvio para qualquer eletricista. Descobri que os sinos tocavam às vezes, quando não havia relâmpago ou trovão, mas apenas quando uma nuvem escura passava acima da barra; que às vezes depois de um raio de luz eles paravam de repente; e outras vezes, quando eles não tocavam antes, de repente, depois de um clarão, eles começavam a tocar; que a eletricidade às vezes era muito fraca, de modo que quando uma faísca pequena aparecesse, outra não apareceria no momento subsequente; outras vezes as faíscas se seguiriam com rapidez extrema. E uma vez o sino tocou continuamente, balançando de um lado para outro numa distância equivalente à pena de um corvo. Mesmo durante a mesma rajada, as variações entre as badaladas eram consideráveis." Benjamin Franklin, 1753.
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Antes de a eletricidade ser empregada, era preciso desco brir uma maneira deberar li ou gerá-la qua ndo esta eranecessária. Aprimei ra cé lula elétrica, precur sora ad bateria,oif desenvolvida pelo ísico f itali ano Aless andro Volta (1745-1827), que deu seu nome ao volt, a unidade de medida para a potência elétri ca. Su a “pilha” elétri ca, eita f m e 1800, consi stia de uma pilha de discos de zinco, cobre epape l imersos emoluçã s o sali na. Ele não sabia por que isso produz ia umacorrente elétri ca, ma s não importava com o isso un f cionava. Aoperaçã o de íons pa ra transpo rtar uma carg a elét rica acabou se ndo descrit a em 1884 pelocient ista sue co Sva nte AugustArrhenius (18 59192 O uma físico lemã a o odaGeorg Ohm (17891854 )7). usou versã célul a de Volta parasua s própri as investi gações de eletri cidade que levou àsua formulaç ão da lei queleva seunome, publ icadaem 18 27. A ei l de Ohm enunci a que quando aeletricidade é transport adapor umcondutor: I = V/R
onde Ié a corrente emmpè a res, V é a dife de home nslesvelho de m ãos8-17 da da s. quí potenci al voltsdo e Rmaterial é aresistênci a em obrn s. A res istêem ncia perma nece mico C har Dus Fay (169 36 ), O traba rença i ntemente da ltag voem, lhandoem Paris,desenvolveu o trabalho de constantendepende po rtanto a alteraçã o da voltag em afeta di reta Gray, e em 1733 concluiu que todo objeto a rrente. e toda criatura vivente contémletri ecidade. mente co Ele demonstro u que aeletri cidadevem em duas forma s - negativa, por ele chama da “resino sa”, epositiva, ou “ví trea”.Em 1786, o físico italianouigi L Galvani (173 7-1798) experimento u transmit ir um a corrente elé trica por sap os mortos,fazendo su as per nas se contraírem espa smodi came nte. Isso Georg éOhm, usadocujo agora levou-o a conclui r queos nervos dossaposnome como unidade de transmit em um impu lso elétri co que faz os resistência elétrica. músculo s de su as perna s funcionarem . 109
£
ENERGIA
CAMPOS E FORÇAS
E sp e r an do
n o s
basti
do
r e s:
MAGNETISMO
Não po demos ir muitoadia nte com a eletri cidade se m falar o ds ma gnetos. Aforça q ue alguns ma teriais
Uma magnetita é naturalmente magnética e atrairá metais magnéticos como o ferro e o aço.
têm d e atrai r ferro, ou dealinhar nortesul, foi notadapelos antig os, mas erainexplicável e deve ter pa tinha 24divisões bá recido algo mág ico. sica s, os tipo s euro De acordo com Aristót eles, peus se mpre vera ti m Thales c.625( 545 a.C.) deu uma 16. Além di sso, a descrição de magnetismo noséculo bússo la só pareceu a VI a.C. Por volta de 800 a.C., o cirurgião e no Oriente Mé dio depois queseu uso regis escrito r hindu Sushruta descr eveu o so u detrado pe la primei ra vez naEuropa, sugerin magneto s para remov er farpas de me tal do do quenão pass ou peloOrient e Médio da corpo.Outrareferênciantiga a ao magnetisChina pa ra a Europa. Fi nalmente,embora mo ea.C. umcha trabalh o och s bússolas chinesas ssefo m feitas para indi critoéenco no ntrada sécu lo IV m madoBo k in ofês thees a car o u Sl, as europeias sempre indicaram o Devil Valley Master, que diz: “magneti ta fa z Norte. o ferro seaprox imar ou la e o atrai ”. Uma As primeiras investigações científicas do magneti ta é um peda ço de pe dramagneti za magnetismo o f ram realizadas pelonglês i do naturalment e. Rochas de magnetita comWilliam Gilbert (1544-1603), um cientis a estrut ura cri stalina certa podem ser mag ta da corte ed Elizabe th I. Gilbert cu nhou netiz adas por raios. Os adivinhos chines es a palavra lati naelectricus, signif icando “de começara m a usar magnet itas em mesas deâmbar”. Ele publi cou se u livroDemagnete adivinhação durante oculo sé Ia.C. A s mag em 16 00 de screvendo muitas experiênci as netitas podem er t sidousadas m e bússolasque fizeraparatentar descob rir anatur eza desde mas bússo o pri meiro uso conf ir ma do 270 de ,uma la para navegação apareceu em no livro de Zhu Yu Pingzhou,Table Talks, em 1117, que diz : “O na vegador sabe a geografia, ele ol ha as estrelas noi à te, observao Sol durante o dia;quandoo dia é escuro e nublado , ele olha a bússola”. A bússola de navegação pro vavelmente foi desenvolvida de forma independenteEu na ropa. E nqua nto a búss ola chinesa 110
do m ageira netismo e daoelet ricidade. E lcid e ade da va a pri m exp lanaçã sobre a capa misteriosa de a agulha dabússol a apon tar parao norte-sul, revelando verdade a r su preend ente de quea Terra emi sé magné tica.Gilbert conseg uiu ref utar a re cnça popular entre os marinhei ros de que o lh ao impedi a a bússola
Uma bússola usa o campo magnético da Terra para auxiliar a navegação.
ELETROMAGNETISMO - O CASAM ENTO DA ELETRICIDADE COM O MAGNETISM O
Um ferreiro fazendo um magneto, retratado em De Magnete, de William Gilbert.
de funcio nar(os q ue diri giam o leme onãpodiam comer laho pertoda bús sola do navio ), e a ideia de que uma vastamonta nha ma gnétic a perto do Polo Norte a trairia tod os os preg os de ef rro para fora deum na vio que es aprox imassedele. A força potencial do magnetismofoi reconhe reções po o stas, estabel ecendoa basepara a cida emhistórias do caixão de ferroMaode eletrodinâmica. No ano seg uinte, Mi chael mé, que u s post amente lut f uava no ar ao serFaraday fez uma experiênci a em quecolo posicionado entredoismagnetos.(Eviden cava um ma gnetoem um disco de mercúri o temente,se esse espetá culo fossereal,apee suspendia um fio acimadele, mergul han nasum ma gneto acima do túmulo teria sidodo-o no mercúrio . Fara day descobri u que nece ssário, pois a ravidade g teria ornecido f quando ele pa ssava um a corrente étri el ca o impulso para baixo.) pelo io, f estafazia o magneto girar.leE cha mou isso de “rot ações eletro magnéticas”, e El etr om agneti smo - o formariaa base do motor elétrico . De fato, casam da el etr ic ida de um cam po magnéti co-versa em mudança era g um campo el étrico e vice . co m o ento m agneti smo Faradaynão conseg uiu enco ntrar em t Aplicações práticas para a eletricidade co a cont inuar seu tra balho sobre elemeça ram a aparecerno n i ício do séc ulo po par i ente,e coube oa XIX. Em 18 20, Christi an Orste d (17 77- tromagnetismo mediatam a america no Joseph Henry (179 71851) notou queuma corrente elét rica po cientist envol ver oprimeiro el etromagnedia def letir a agulha de uma bússola.Esta 1878) des to po tent e e m 182 5 . E le descobri u queao era aprimeira dica deuma conexã o. Ape ladoem volta de um magneto nas umasemana de pois, André-Marie Am-enrolar ifo iso e pa ssa r um a corrente pelo fio, ele podi a au pére de u um relatomuito mais detalh ado. stante a potência do ma gneto. Ele Ele dem onstro u naA cademiede Science que, mentar ba const ruiu um letro e magneto que podia er quandoelétr fios s carreg am c peso de qua se 1600 kg. Henry tam rente ica,para eleslelopode m atrai r uma ou re po elr ir guer um bém s e t abeleceu as bas e s para o tel égraf o um ao outro, dependendo de uas scorren . Ele colocou 1,7km de fiaçã o pela tes co rrerem na mesma direçã o ou em di elétrico 11 1
ENERGIA CAMPOS E FORÇAS
Albany Academy e depois passou eletricida de pelo io, f usandoo paraacionar um sino no outro extremo.Embora am S uel M orse (17911872) aca bassedesenvol vendo ote légrafo, Henry provo u que o conce ito era
CAMPOS E FORÇAS Um campo é a forma em que uma força é transmitida por uma distância. Um campo magnético é aquela área em que uma for
ça magnética opera. Em geral ela é mos válido. Se existe um no me que se dest aca m e trada na forma de linhas que radiam do polo norte de um magneto para seu polo relaçã o à eletri cidade, prov avelmente ja se sul. A força de uma força eletromagnética o deMichael Farada y. Embora le e estives ou gravitacional reduz em relação ao qua se ocupado em d ais para cont inuar o traba drado da distância da fonte - portanto, lho sobre eletro magnetismo nos anos 182 0, a duas vezes a distância da fonte, a força depois de u s a primeira experiência, ele re to tem apenas um quarto de sua força srci mou o ssunto a em 18 31 edescobri u o pri n nal. A lei do quadrado inverso que relaciona cípio da indução elétri ca. Farada y atou dois forças foi notada pela primeira vez por fios enrol ados emtorno delados opostosNewton em relação à força gravitacional. de um anel deerro f e pass ou uma corren te
através de um fio. Isso m agnetizou o ane l e induziu brevemente umacorrente no outro introduz iu os termos e letrodo , anodo, cá fio enrolado,construindo oimeiro pr trans todo e íon, espe culandoque parte de um a formador elétri co. Seis se manas depois, elemolécula ra e envol vida em mover eletrici inventou odínamo,no qua l um m agnetodadeentre o cá todo e o ânodo.A verdadeira permanen te é empurrado para trás para e naturezaasd soluções iôn icas e ua s conduti a frente, atra vés deum fio enrol ado, ndu i vidade foi explicada finalmente por Arrhezindo uma corrente no fio. Alei da induçã o nius,que ganhou o prêm io Nobel po r esse de Faraday stabel e ece qu e o fluxo magné trabal ho em 1903. tico quevaria no em t po produz uma força eletromoti va propo rcional.Toda ageração A lvorada d e u m a nova e r a m ag néti ca deseiaeletri ci se ba Aproveitando o trabalho prático de Orsted e ne sdade se princí pio. Faraday, James Clerck Ma xwellusoua ma Faraday também temáti ca paradar sustentaçã o à relaçãoen tre eletri cidade e magnetismo. O resultado foram qua tro equações, ubl p icada s em 187 3, quedemonst rara m queo eletro magnetismo é uma forçaúnica.Einstein co nsidero u as equações de M axwellcomo a ma ior desco berta emfísica desde que Newton formu lou a lei da gravidade . O eletromag netismo agora éreco nhecido como umaasd qua tro força s fundam entais queantêm m ouniverso em ordem -sendo as outras a ravi g dade eas forçasnuclearesfortes efraca s queoperam dentroe entre os átomos. Na menor esca la, 112
ELETROMAGNE TISMO - O CASAMENTO DA ELETRICIDADE COM O MAGNETISMO
"Esta foi a primeira descoberta do ato de que uma corrente galvânica poderia ser transmitida a uma grande distância com uma força tão diminuta a ponto de produzir efeitos mecânicos, e dos meios pelos quais a transmissão poderia ser efetuada. Vi que o telégrafo elétrico agora erapraticável... Eu não tinha em mente qualquer forma específica de telégrafo, mas referia apenas ao fato geral que agora estava demonstrado que uma corrente galvânica poderia ser transmitida a grandes distâncias, com potência suficiente para produzir efeitos mecânicos adequados ao objeto desejado." Joseph Henry
as forças eletromagnéticas ligam íons emmoléculas e fornecem aatraçã o entre os elétro ns enúcleos deum átomo. Maxwell explicou como
J
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/SjM y, \é
Equipamento de Faraday para demonstrar a rotação eletromagnética.
sjf m r jf T
íI
1
tanto os campos elétricos quanto magné ticos surge m k das mesma s ondas elet ro magnéticas. U m campo elétri co variávelé acompa nhadopor umcampo mag nético que varia de forma semelhante e resid e emângulo s reto s a ele.te do espectro eletromagnético. Einstein Ele descobri u tam bém que a onda de cam incorporou o tra balhode Maxwellem suas pos el etromagnéticos atravessa o espa ço va teori as da e r lativ idade, dizendoque se um zio de 300 milhõ es demetros por segundocampo eraelétri co ou ma gnético, depen -berta a velo cidade luz. Esta uma scoVisto dia da erênci a de qu em o e stava vendo. chocante , da e nem todos foi ifcara m de satis deref um ponto de referência, o campo feitos com aconcl usão de qu e a luz faz paré magnético. Visto de um pontodiferente, ele é elétrico.
Um campo magnético é demonstrado pelo arranjo de agulhas de bússola em volta de um magneto.
113
ENERGIA CAMPOS E FORÇAS
LEIS DA INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA DE FARADAY 1. Um campo eletromagnético é induzido em um condutor quando o campo eletromagnético que o circunda muda. 2. A magnitude do campo eletromagnético é proporcional à taxa de mudança do campo magnético. 3. A noção do campo eletromagnético induzido depende da direção da taxa de mudança do campo eletromagnético. Aparelho de Faraday que mostra indução eletromagnética entre duas bobinas. Uma bateria líquida à direita fornece uma corrente, e a bobina pequena é movida manualmente para dentro e para fora da bobina grande para
A próxima forma de energia a ser des cober ta foia dos ra ios X. Embora o sico fí alemão Wilhelm Conrad Röntge n (1854 induzir uma corrente nesta última, indicada pelo 192 3) nomea sse edescrevesse os iosraX, e galvanômetro à esquerda. em geralessa descobert a seja credi tada a ele, em 18 95 elenão foi, de fato, o primei ro a obse rvá-las. E les fo ram detectados pela Ma i s ondas pri m eira vez por vo lta de 1 875 peloseu fí EmboraMaxwellprevisse a existênci a de neo JohannWilhelm ondas derádio, elas não foram observa sicoamigo e conterrâ Ha ttorf (18 24 -19 14 ). Hittorf foi um d os in das até queo físico alemão Heinrich Rudolf Hertz (18571894) gerasse on das ele ventores do tubo de crookes, um aparelho ntal usado para investigar raios tromagnéticas com m u comprimento de experime um vácu o dentrodo onda de4 m em seu laboratório em 18 88.catódicos.Consiste de qua l um fl uxo de elétrons lui f entre umcá Hertz nã o reconheceu o sig nificado de on precurso r do tubo das de rádio e, quando pergunt ado so bretodo e ânodo, sendo um de raio ca tódico usa do em telev iso res n ates o impactode suadesc oberta lee teri a dito , tela de plasm a. Hit“Acho que nenhum ”. Assim como rar ge do adventoda moderna cobriu issoo adeix ar placa s fotográ ondas de dio. rá Hertz descobriu que elastorf des fica s pe rto do tubo de crookes everificar podiam ser transmiti das por me io de alguns de que lgumas a estav am marcadas materiais , mas bati am em outros evoltavammais tar po r sombra s, mas le e nã o investi gou a ca usa . - uma qua lidade qu e mais tarde levariao a Outros cienti stas tam b ém e s ta vam inves desenvol vimento do dar. ra A descoberta tigando os ra ios X antes deRöentge n prode ondas de rádio tornou a explicação de Maxwell so bre radia ção eletro magnética irresi stível. Nos anos se guintes, adesco berta de micro-ondas, raios X, n i fraver "Converter o magnetismo em eletricidade." melhos, ultravioleta e gama compl etou o Lista de coisas a fazer de Michael Faraday, 1822; realizada em 1831. espectro eletromagnético.
114
MAIS ONDAS
►
MICHAEL FARADAY (1791-1867) Nascido em Londres de família pobre, Fara-
Em 1826, ele instituiu as palestras de Natal
day saiu da escola aos 14 anos e foi apren
na Instituição Real e os discursos de sexta
diz de encadernador, educando-se com a leitura de livros de ciência com os quais ele
à noite - eventos realizados ainda hoje. Fa raday deu muitas palestras, tornando-se o trabalhava. Depois de ouvir quatro pales principal palestrante de sua época. Ele des tras dadas por Humphry Davy na Instituição cobriu a indução eletromagnética em 1831, Real (Royal Institution) em 1812, Faraday es estabelecendo as bases para o uso prático de creveu para Davy pedindo emprego. Davy eletricidade, que havia sido considerado an recusou a solicitação no início, mas no ano teriormente um fenômeno interessante, mas seguinte empregou-o como químico assis
de pouco uso real. Em reconhecimento a suas realizações, tente da Instituição Real. No início, Faraday só auxiliava os outros cientistas, mas depois ofereceram duas vezes a Faraday a presidên começou a conduzir seus próprios experi cia da Royal Society (e as duas vezes ele a recusou), e um título de cavaleiro (também mentos, incluindo aqueles com eletricidade. rejeitado por ele). Ele pas sou seus últimos dias em Hampton Court Palace, em uma casa que lhe foi dada como presente pelo con sorte da rainha Vitória, o príncipe Albert.
Michael Faraday em seu laboratório na Instituição Real.
rio e um tubo deroo c kes e nvolto duzir os famosos ra ios X da mão de sua esto de bá to. Ele ide ntificou um brilho posa eexplicaresse fenômeno. sAanotaçõescom papel pre de laboratóri o de Röntgen foram u qeimada s verde fraco da tela e percebeu que algum o cartãodo após suamorte; por isso éimpossível sa bertipo de raio estavapassando pel exatamente o que aconteceu,mas parece tubo efazendo atela brilhar. El e investigou ios e publ icou seus achados do is mese s que e le estava inv estiga ndo raios catódico s os ra usando umatela pintadacom plati nociane-depois.
115
ENERGIA CAMPOS E FORÇAS
EQUAÇÕES DE MAXWELL A terceira equação descreve como a mu A primeira equação de Maxwell é a lei de dança de correntes elétricas cria campos Gauss, que descreve a forma e a força de um campo elétrico, mostrando que ela reduz magnéticos. com a distância seguindo a mesma lei do quadrado inverso que a gravidade.
$EdA =(I^
vxe
Eo
V •E = p/E0 A segunda equação descreve a forma e a força de um campo magnético: as linhas de força sempre vão em loops do polo norte para o polo sul de um magneto (e um magneto sempre deve ter dois polos). $ B - í/A=0
dt =-^5-
ôt
A quarta equação descreve como a mu dança de campos magnéticos cria correntes elétricas, e também é conhecida como lei da indução de Faraday. |B-rfs = «
0e0 ^E+oc
0ienc
VxB =«t)E0^+ «oyc
V-B = 0
fotográ fica sobre um disco de sais fosfores Quando o ísico f ra fncês Henri B ecquerel centesquetinhamsido“carregados” Sno ol, (18521908) so ube o ds ra ios X em 18 96, eárea s de luz apareciam na placa.oAcolocar que lees vinham deum po nto claro an parede um obj eto de me tal entr e a placa e o pra to, de um tubode crookes, ele suspeito u queobele pro duziu uma imag em desombra dobo jetos fosforescentes também pudessem emitir jeto na placa fotográfica, assim como as placas raios X. Becqu erel o f i professor defísicano de raios X de Röntgen. Em um experime nto Muse u Franc ês de Hist ória Natural e, pormaior, ele preparou sua montage m e planejo u tanto , tinha acesso auma rgande col eçã o dedeixá-la a o Sol.Emborao Sol ã no apare cesse materiais o f sforesc ente s. Ele des cobriu que , em Pari s durante vári os di as, Becquerel de se pudesse absorv er energia luz da doSol porcidiu desenvol ver aplaca de qualq uer orma f , um tempo,esses ma teriai s brilhari am no esespe rando não enco ntrarnada. ara P suasur curo até que a energiaosse f consumida.nEpresa , ele descobriu uma imagem - os sa is de tão desco briu que seenvol vesseuma p laca urânioqueele es tavausando pareciam emit ir raios X semexposiçãoo aSol , aparentemente violando a lei de conservação de energia para ir energ ia a parti r do nada . Suas inves "Mal podemos evitar a conclusão de que a produz luz consiste de ondulações transversais do tigações pro sseguiram ele e desco briu quea mesmo meio que é a causa de fenômenos radi açã o não eraa mesm a que ados raio s X, elétricos e magnéticos." umavez quepodia ser flet de ida po r umcam James Clerk Maxwell, c. 1862. po ma gnétic o, e assim de veri am consistir de R a d ia ç ã o
116
MAIS ONDAS
"Não tem serventia nenhuma [...] este é apenas um experimento que prova que o mestre Maxwell estava certo - essas ondas eletromagnéticas misteriosas não podem ser vistas a olho nu, mas elas existem." Heinrich Hertz, sobre sua descoberta das ondas de rádio em 1888.
HAJA LUZ
O primeiro serviço público de eletricidade foi em Godalming, Surrey, Inglaterra, onde iluminação elétrica de rua foi instalada em 1881. Um moinho d'água no rio Wey dirigia um alternador Siemens que Raios X que Röntgen fez da mão de sua mulher,
acendia lâmpadas na cidade, fornecendo
a primeira imagem de raios X produzida; sua aliança é claramente visível.
eletricidade para várias lojas e outras instalações.
partí culas carre gadas. E le nã o reali zou mais quando descob riu queo minériodo qua l traba lhos sobreo assunto,contudo,deixou o o urâ nio derivava,a pechbl enda , é mais cam po aberto parafísica a xp e erimental a Mradioativo que o própri o eleme nto. Isso rie Curi e, nasc idana Polônia. sugeria que havia outroseleme ntos mais Marie C urie 1 ( 867-1934) estava trabaradioativos no minério.Com se u marido lhandoem seu PhD com “ra ios deurânio” Pierre, ela e xtraiu doi s desses eleme ntos -
FREQUÊN CIA AUME NT AN DO (v) 10 24 1
1 0 22 1
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106
108
DE ON DA (X)
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ESPECTRO VISÍVEL
O espectro eletromagnético, de raios gama a longas ondas de rádio. 400 COMP RI MENTO
500 DE ON DA AUMENTAND
600
70 0
O(X) em NM -*
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ENERGIA CAMPOS E FORÇAS
BECQUEREL PARA SEMPRE
A cadeira titular de física no Museu Fran cês de História Natural era herdada. Fun dada por Antoine Becquerel (1 788-1878), em 1838 foi ocupada por um Becquerel
do na Nova Zelândia Ernest Rutherf ord (1871-1937), trabalhando no laboratório de Cavendish, em Cambrid ge. Rutherf ord foi a primeira pessoa aser a dmitida em Cambri dge c omo alunopesquisa dor, em
vez de passar para pesquisa depois de ter o diplo ma universitário . Ele sa iu daNova cumbente não conseguiu gerar um filho Zelândia para pleitear uma bolsa deestu para passá-la adiante. dos dois me ses antes deRöntgen desco brir os a r ios X, mas só con seguiu o cargo so. Ele foi um dos ca ndidatos para polônio e rádio. Foram quatro nos a de sde por aca bolsa e não foi escolh ido, mas o candida suadesco berta em 1989 até extrair um dé to aprovado desistiu. Rutherford começou cimo de rama g derádio, usando neladas to rádio e pode ter de pechbl enda. P ierre descobri u que um a trabalhar em ondas de chega do à transmi ssão de longo al cance lg de rá dio podia aquece r um lg e um ter o esta ço de água do pont o de con gelament o atéantes deMarconi, mas comoele nã sem interrupção até 1948, quando o in-
o pontode fervura m e uma hora- e pova interessado no potencial comercial de las, nãoexplorou ess a descob erta . dia continuar fazendo isso continuamente. Quando Rutherford voltou sua aten Parecia energi a do nada, uma scoberta de ção para aradiação,descobri u que afor surpreendente. ma que Becquerel tinha de sco berto era O casa l não sabia que rma fo de ener composta s diferentes: rad ia gia a radioatividade era. A descoberta foi de dois tipo çã o alf a , que pode r se bl o quea d a po r um a feita pe lo químico e físico in glês na scifolha de papel ou lguns a centí metros de ar, e a radiação b eta, que podeenet p rar mais na matéria. m E 190 8, Rutherford mostrou que aradiação alf a é um fluxo de partí as ns. alfa:A áradiaçã tomoso de hélioco m os seus cul elétro beta nse sis te deelétro ns que se movem rapid amente - como um raio catódico, mas com ma is energ ia. Em 19 00, Rutherford des cobriu um terceirotipo de radiação,que ele cha mou degama. Como os ra ios X, os raios gama formamparte do espe ctro eletro magnético. Eles ã so ondas de alta energia com u m comp riment o de onda ainda ma is curto queos raios X. O traba lho de Ru therford e l vou-o para dentr o do átom o, que é nosso próximo destino. Ernest Rutherford
118
MAIS ONDAS
P rocuram
-s e
átomos
O trabalho em termo dinâmica on final do século XIX anulou o modelo calórico e levou físicos como o austríaco Ludwig Edua rd Boltzmann eJames Clerk Maxwel l a acredit ar q ue o calor é umamedida da velocidade emque aspartículas estã o semovendo, embora nãoestiv ess em certo s da natu reza da s partículasenvolvida s. A transf erência de calor e a conduti vidadeda eletricidade poderia m ser entendi das plenam ente se ifcasse lcaro que elas dependi am deum mo delo atômico da matéria. Para aeletricidade passar porum conduto r, os elétrons devempassa r entre os tomos; á para o calor se m over de um
MARIE CURIE (MANYA SKLODOWSKA, 1867-1934) Nascida em Varsóvia quando a Polônia foi ocupada pela Rússia, Manya Sklodowska não teve chance de frequentar uma universidade em sua terra natal, por isso foi estudar em Sorbonne, Paris. Lá ela conheceu e casou-se com Pierre Curie, que já estava trabalhando em materiais magné ticos. A gravidez atrasou seu PhD, que era sobre o tópico de "raios de urânio". Ela tinha de trabalhar em um galpão seco, uma vez que os acadêmicos temiam que a presen ça de uma mulher no laboratório provocasse uma tensão sexual tamanha que pelo menos os homens acabariam não realizando trabalho nenhum. Em 1898, ela começou a trabalhar isolando os elementos radioa tivos desconhecidos da pechblenda (mi nério de urânio). Seu marido
Pierre
aban
í
donou sua própria pesquisa para ajudá-la. Eles descobriram dois elementos radioativos, o polônio (cujo nome foi dado em homena gem à Polônia) e o rá dio. Em 1903, Marie e
lugar pa ra outro por condução ou conv ecção, as part ículas deveme s mover. A aceitação do modeloatômicoda matéria navirada do culo sé XX abriu sa portas ra pa se explorar o interio r do átomo,e isso, por sua vez, levou a um entendimentomaior decomo
Pierre Curie ganharam o Prêmio Nobel em Física, que compartilharam com Henri Becquerel. Apenas três anos mais tarde, Pierre morreu de pois de escorregar em uma rua de Paris e ter o crânio es magado pela roda de uma carruagem puxada por cavalos que passava por lá. Ele podia estar sofrendo de ataques de tontura, um sintoma da doença provocada pela radiação. Marie morreu de leucemia em 1934, também vítima da ex posição à radiação. Seus cadernos de anotação permane cem tão radioativos que ainda hoje devem ser guardados em um cofre selado com chumbo. Ela é a única mulher que
a gia secomporta e é ener transmitida.
recebeu dois Prêmios (o segundo foi de química, em 1911, também por seuNobel trabalho sobre radioatividade).
119
CAPÍTULO 5
Dentro do ✓ ATOMO
A crença de que os átomos eram os blocos constru tores de ma téria tem um a histó ria an tiga.Alguns pensador es bu distas no culo sé VI I a.C. acreditavam que toda matéria a sse fo fo rmada de átom os, que eles consi deravamuma forma de ener gia. Na Europa , pré-ato mistascomo E mpédocles e Ana xágora s tam bém conceber amEpartículas de lósofosmatér ia invi síveis de tão m inú sculas. sses primeiros fi cientistas chegar am aessavisão po r meio de umproces so de raciocí nio dedutivo. Emborao atom ismoperman e cesse em descrédi to duran te mu itossécu los,no final foi o model o queprevaleceu, apoiad o pela ex peri menta ção e pela ser obvação.Mas os primeiros atomistas n ão estavam certo s. A crença ed qu e os áto mos são s a menores partíc ulas nd i ivisíveisda m atéria provou se r incorreta, poisos átom os sã o form ados de partículas suba tôm icas.Quando os ci entistas exam i nar átom intemam ente,este provou ers umlu garam bizo arr oeo impr evisí vel.
A descoberta da estrutura atômica da matéria abriu as portas para um mundo inteiramente novo para os físicos.
É
DENTRO DO ÁTOMO
couclarade imediato . De fato, sofísicos nã o Dissecando o átomo pa queservi a o elét ron, e John Dalton descreveu sua teoria atômi conseguiam ver ra o brinde o n jant ar a nua l do C avendish a L ca em 180 3, dizendo que os elemento s são Cambr idge foi : “Ao elétron: formados de tomos á idênti cos quese comboratory em me sm o que l e e nunca tenha lidade uti a al binam m e razões denúmeros tei inros para forma r comp ostos químicos.teoria A ós foi guém”. aceita universa lment e depois que o sico fí francês Jean Perri n (187 0-1942) mediu o P udins d e passas e sistemas solares lo do átomo deJ.J. Thomson,pro tama nho de uma mo lécula de água umséO mode posto em 19 04, tem sido ch amado de “pu culo mais tarde,em 19 08, embora muito s ssas”, po rque se pareceum a pu cientistas aceitasse m e trabalhasse m com adim de pa dim cra vej a do com ro g selhas. le E descreveu teoria antes dessa data. Mas me smo antes da cargapositiva confirma ção da teoria comoato, f a prem issao átomo como umanuvem de pont u a da d e e létrons. Como exe mplode ter de queos átomos não dem po sersubdi vidi minologia dereutilizaçã o de maneira conf u dos estavando se abandonada. úscul os”. A parte O físico inglêsJoseph John (J.J.) Thom sa, ele os chamou de “corp son (18561940) descobriu létro o en em carre gada posi tivamenteperma necia nebul o nto os elétro ns eramro gselh as be m 1897 durante seu trabalh o sobre ra ios casa, enqua de fini d a s, cra v ad os nela, po ssivelmente orb i tódicos e tubos de Crookes (veja pág a ina anéis fixos. 114). Thomson descobriu que ra os ios catando em O model o do pudim de passas foi de tódicos vi ajam m uito mais lent amente que a saprovado em 190 9 por um experiment o luz, e por isso nãodem po, como se suspei feito pelo ísico f ale mã o Hans G eige r (18 82 tava nterio a rmente,fazer pa rte do espe ctro elandês Er nest Marsden eletromag nético . Ele concluiu que um raio 1945) e o neoz 1970 ) na Universidade de Manches catódico é um feixe de elétrons. O conceito (1889trabalhavam sob pervisão a su de queo elétron fazia pa rte do átomo eeter, qu enquanto t Rutherf ord. A experiência les de podia se liberar e opera r sozinhoanulou ade Ernes crença a nterior de qu e o átomo eraindivisí consi stia emdirigir um feixe de partículas m fina de ouro en vel. Em 1899, Thomson mediu a carga em alfa parauma folha be um elét ron e calcul ou suamassa, cheg andovolvida por uma folha de sulfeto de zinco. eto dezinco a cendia ua qndo atingi à conclusão espant osa deque lea tem erca c O sulf do pe l as pa rtí c ulas lfa a (núcleos de hélio ). de 1/2000 da massade um átomo de hi dro Os pesqu isadoresespe ravam que ho uves gênio. se po uca defl exão quando as partí cul a s alfa EmboraThomson rece besse o Prêm io ssempela folha e que padrão o que leas Nobel po r seu traba lho sobreo elétro n empassa vessá -la daria inf or 1906, a importânci a dessapesquisa onãfi- fizessem depois de atra mações sobre mo co a carg a se distribuiu den "A suposição de um estado de matéria dividido mais finamente que o átomo é algo um tanto alarmante." J.J, Thomson
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tr o re dos táomos de ouro. Os sult ad os foram uma surpre sa. Muit o pouca s partículasoram f defle-
DISSECANDO O ÁTOMO
tidas, ma s a deflexão des tas of i de ângulo s em descré dito. O que ele produz iu foi um bem maiores q ue 90 graus. Rutherford esmodelocom um núcleo mi núsculo,denso, pera va que oxperimento e endossa sse o mocerca do de muito espaço vazioe pontuado delode pudim depassas e estava to talmente por elétro ns em órbit a. Ele nã o sabia oa desprepa rado parasse e result ado. A única certo se o núcleo inh t a carga posit iva ou concl usão que ele pôde rar ti oi f que a carnega tiva, ma s calcul ou seu tam anho co mo ga positiva no átomo estava concentr ada m e menor que 3,4 x 14 10-metros dextensã e o um ce ntro minúsculo , e não distri buída por (agora sesabe quetem cercae d1/5 disso) . todo o á tomo. Sabia-se queum átomo deouro inha t cerca Coube aRutherford a taref a de chega r de 1,5 x 10'1 0metro s de raio, tornandoo a um novo modelo ara p a estrut ura do áto núcleo me nos que /14000 do diâmetro do mo quesubsti tuísse o “p udim de passa s”, átomo.
J. J. THOMSON (1856-1940)
Joseph John (J.J.) Thomson era filho de um encadernador. Ele era pobre demais para ser aprendiz de engenheiro, então foi para a Faculdade de Trinity, em Cambridge, estudar ma temática com uma bolsa de estudos. Ele acabou se tornando mestre naquela faculdade, estabeleceu o Cavendish Laboratory como o melhor laboratório de física no mundo e rece beu o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho sobre o elétron. Por suas experiências com raios catódicos, Thomson foi capaz de identificar o elétron como uma partícula em 1897, e mediu sua massa e carga em 1899. Em 1912, ele mos trou como usar os raios positivos que podiam ser produzidos usando um ânodo perfurado em um tubo de descarga para separar átomos de elementos diferentes. Essa técnica forma a base da espectrometria de massa, usada atualmente para analisar a composição de um gás ou outra substância. Thomson era notoriamente desastrado. Além de confiar a seus assistentes de pesquisa a condução de experimentos delicados, eles tentavam deixá-lo fora do laboratório para não danificar os equipamentos. Mas ele era querido e um exem plo para todos: sete de seus assistentes de pes quisa e seu próprio filho receberam o Prêmio Nobel. Thomson recebeu honrarias como ca valeiro em 1908.
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É
DENTRO DO ÁTOMO
"Os átomos dos elementos consistem de inúmeros corpúsculos eletrificados negativamente, fechados em uma esfera de eletrificação positiva uniforme." J.J. Thomson, 1904.
0 diagrama de cima mostra o resultado esperado da folha de ouro de Rutherford, com as partículas alfa passando pelos átomos; o diagrama de baixo mostra o resultado surpreendente - algumas partículas tinham defletido amplamente.
O MODELO SA TURNI NO
O físico japo nês Hantar o Nagaoka propôs em 1904um modelo do áto mo basea do em Saturno e seus anéis.Este taribuiu ao áto mo umnúcleo maciçoe os elétron s emór bita eram ma ntidos no lugar por um ca mpo eletro magnético. Ele chegou aessa ideia depois de ouvir udwig L Bol tzmanncon versando sobre a teoria cinética de gases e o trabalhode James Cl erk Ma xwellsobre a estabil idade dos néis a de Sa turnoenquanto fazia uma excursã o pela Alemanha eÁustria em 1892 -1896. Nagaoka aba ndonou a teo ria em 1908. Rutherford não tinha acabado de es tudar o átomo. Ele propô s uma estruturame que o núcleo do átomo continha partícu las ca rregadas positivamente - prótons, por ele de scoberto s em 19 18 - e alguns elétrons. O resto dos elétronsorbitava pelo núcleo, pensava ele. O físico dinamarquês Niels Bohr (18851962) aperfeiçoou o modelo de Rutherford em 1913 detal forma que os elétrons con "Foi o acontecimento mais incrível de minha vida.Era quase tão ina seguiam permanecer creditável quanto se voc ê disparasse umprojétil de 15 polegadas con em órbita. Ele suge tra um pedaço de papel e o projétil ricocheteasse e o atingisse.Refle riu que emvez de va tindo, percebi que essa dissipação deve ser resultado de uma única gar peloespa ço fora colisão, e ao fazer os cálculosvi que era impossível obter alguma coisa do núcleo seguindodaquela ordem de magnitude, a não ser que se pegasse um sistema qualquer trajetória,em que a maior parte da massa do átomo estivesse concentrada em os elétro ns são res um núcleo diminuto. Foi então que eu tive a ideia de um átomo tritos a determinadas com um centro maciço minúsculo que carregava uma carga." órbitas e são fisicaErnest Rutherford
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DISSECANDO O ÁTOMO
Para Nagaoka, os anéis de Saturno forneceram um modelo para o átomo.
próximo que o elétro n cheg a do núcleo.Quando o táomo dehi drogênio absorveum fóton de luz, o elétro n salta para uma ór bita deraio maior (nív el maior de energ ia). Dependendo danergia e contida no fóton, ele sa ltará para uma determinada órbita ounível. Quando o átomo emit e esse fó ton, o elétro n salta de volta para mente incapa zes de mitir e radiaçã o cons su órbita .anter ior (nível inferior dea energia) tantemente (o quepoderiamazer f se a s leis Cadaórbita, ele de fendia , tinha e spaço da física cláss ica es aplicassem). Bohr acresuficiente pena a s paraum ce rto númerode ditava q ue essas órbi tas era m circulares efi elétron s, por iss o eles nã o podi am se aprox i xas, dand o um m odeloplanetár io do átomo, maro máximo possível do núcleo, por mais sendo oslétrons e os planetas equ orbi tavamque quisessem . Isso signi fica queas órbi tas por umnúcleo queseria equiv alente aool.Sse preenchem de dentro parafora. Ao contrário dos planetas, no entanto, os O elétronabsorveou libera um único elétron s podemsaltar entre sa órbit as, libe fóton ou energia quâ ntica some nte qua ndo rando uo absorvendo uma energia ca quânti dá um “sa lto quântico ” entreas órbit as. A específica de nerg e ia por vez, conforme es tejam semovendo para o núcl eo ou afastan qua ntidade de deonda energia - ou com primento - da energia do-se dele . absorv ida ou lib eradaé de De acordo com modelo o de Bohr, o termin ada pela órbita. Isso único elétron doátomo dehidrogênio, por pare cia ser pe rfeito, mas, exemplo,pode existi r somente emum nú ao testar su a teoria, mero limitado de órbitas. ad Ca órbita re prese nta um nív el part icular de nerg e ia. O nível mais ba ixo é cha mado de es tado undame f ntal e é o pontomais Niels Bohr em 1935.
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â
DENTRO DO ÁTOMO
Bohr de scobri u que os átomos de hidro gênio emitem energia o co a mprimento de onda pre visto por seus cá lculo s matemáti cos, desde que os elétro ns possam saltar en tre sua s órbitas prescri tas, às qua is chamou
SÉRIE DE
de conchas . Além disso, o modelo de Bohr explicava por que o hidro gênio- e todos os eleme ntos - produz uma bsorçã a o e um es pectro demissã e o únicos. Esseprincípio é o fundamento da espectrosco pia, usa da por astrôn omos pararevelar a comp osição qu í mica dasestr elas. Quant um sola ce
Quando Max Pl anck alou f de quanta, paco Transições da concha de elétrons do hidrogênio, tes o cm quanti dades ixas f de energ ia, comocom suas energias associadas. uma fo rma d e mover pe quena s quanti dade s de energia, ele não qui s sugerir que leva ssem o quâ ntico a sério ; esta ra e umasolução teó a rea lmente. Mas ele eg chara aalgo rica que ele supunh a que pud esse sersubst i aconteci verdadeiro , apesarde impro tuída em bre ve, assim que laguém res olvessequeparecia ser vável. E não só era verdadeiro, mas a base os cá lculos matemá ticos para xpl e icar o que de todo um novo tipo de física que opera no mundo biz arro da s partí culas subatômi cas. A mecânica quântica - que responde pelo compo rtame nto de partí culas emuma seca la ínfima da m esma forma que amecâ nica newtoniana xpl e ica o compo rtame nto de sistem as maiores - foi iniciada o cm as so quantada luções ápi r das de das por Planck. Esta s estão no âmbito de impossibi lidade s apare ntes esugestões incompreensív eis. Einstein levou quanta os aséri o. Seu trabalho sobre ofeito e of toelétrico(veja a quanta página 63) baseou se no uso dos de Planck, ma s aplicado à luz.Einstein suge riu que um fóton podi a ter energia suficien te pa ra arrancar um elét ron de um tomo; á No modelo de átomo de Bo hr, os elétrons em geral ficam firmes, alocados em suas conchas, e orbitam pelo núcleo.
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um fluxodede elétro ns Sua expulsos pro duzi a uma corrente elétrons. ideia foi impo pu lar no nício i , por ir contra a s equações e d Maxwel l e a sabedo ria aceita deque aluz era
QUANTUM SOLACE »
Painéis solares usam o efeito foioelétrico para gerar eletricidade de fótons que acionam um semicondutor
umaonda. Aqui, pela prim eiravez os ísicos f m contra dualidade a dondapartí cula -fora algo que sàavezes parecia uma onda s e à vezes parecia ser uma partícula. LU Z INTEL IGE NTE
Ainda mais intrigante foi a descoberta que a luz parece “saber” se compo rtar para agradar os a pes quisado res experi mentais. Quando umaexperiência eita é f para testa r o comportame nto da luz como umaonda, esta ge a como uma onda. Quando uma ex periência tes ta o comportame nto da luz
NIELS BOHR (1885-1962) O trabalho do físico dinamarquês e filósofo Niels Bohr foi a chave para o desenvolvimento da mecânica quântica, transformando uma hipótese esboçada em um conceito funcional. Pela física quântica ele expandiu a teoria de estrutura atômica de Rutherford e explicou o es pectro do hidrogênio. Mas ele nunca subestimou as comple xidades envolvidas, comentando certa vez que: "Você nunca entende a física quântica, você só se habitua com ela". Bohr começou seus estudos na Universidade de Copenhagen an tes de se mudar para a Inglaterra para trabalhar em Cambridge e Manchester. Mais tarde voltou para Copenhagen para fundar o Institute of Theoretical Physics.Em 1922, ele re cebeu o Prêmio Nobel de Física. Durante a Segunda Guerra Mundial, ele fez parte da equipe que estava desenvolvendo a bomba atômica. Sua carreira poderia ter seguido uma tra jetória diferente. Em 1908, por pouco ele não foi escolhido como goleiro da seleção nacional de futebol na Dinamarca. A perda no futebol representou um ganho para a Física.
Albert Einstein (esquerda) com Niels Bohr.
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DENTRO DO ATOMO
como umapartícula, esta secomporta como uma partí cula. N ão é possív el entender o. iss Se um feixe deluz bri lha porduas fenda s em umatela, um padrã o de •• • interferência éproduzi do, com li stras escu ras e • • • claras (de luz) . A medi ELETRONS da que e s dimi nui a luz, chegaum ponto em que os fótons passam um TELA COM por vez pela tela, azen f DUAS FENDAS do um clarã o cadavez que um delesaparece . Entretanto , coletivamen A e x p e r iê n c ia
• A *!*}* •••••••• V M M M M VV9iiH ri
TE L A ÓTI CA
TE L A ÓTIC A ( VI SÃO FRONTAL)
d a fe n d a d u p la q u e p r o d u z p a d r õ e s
de di fraç ão com a luz tam bém p ode ser reali zada espa lhand o-se e lé tr ons, m ostran do qu e el es
te, a imag em Os const rtons uída apare inda éo“saber” padrã o se de interf erência. fó cem uma ou duasenda f s estãoabertas, e se duastambém podem se com portar com o ondas. fendas estã o abertas um a leve in terferên a ececom aluz. Desde então,par cia a inda oco rre, embora ostons fó seja m como cont aiores - prótons nêu e trons -também dispara dos entamente l na tela.Cadafóton tículas m foram vista s ag indo como o ndas. parece capaz de passa r por amba s as enda f s lho de De Broglie oi f suatesede simultaneament e. Se umafendaestáfecha O traba rado. Ele sug eriu que oslétro e ns era m da, mesmo depoi s queum fóton começou douto corriam em volta das órbi tas que suajornada,os fótons só pas sam pelafendaondas que r, e que os nív eis de energia aberta.ndo I mais adi ante,se exist e um depodiam ocupa tect or nem uma as d fenda s parafenda descobri r senia das órbi tasaon perm issíde veis modo estavam com da, queem sa harmo ondas se o fóto passou por aquela ou outra, mpre . A teoria po dia ser tes os fótons, co mo serelut assemem serpegos,reforçavam se , disseele, mostr ando que dif raçã o dos para m deproduzir padrões de interferência tada elétrons corre o por uma rede cri s tali na. sI so - de repente eles gem a como partículas. m suce sso em 1927 por Como se iss o não osse f suficienteme nte foi demonstrado co as feitas separadame nte, uma estra nho, em 19 24 o físico ra f ncês Louis- duas experiênci nos EUAe outra naEscócia. eBrog D lie e -Victor de Broglie (1892-1957) sugeriu lizaram rea sa ex que sa partí culas que compõ em a matéri a dois dos três homens que bera m o PrêmioNobel de també m poderiam seomportar c comonoperiências rece . das. Isso signi ficaria que a dualidade onda - Física em 1937 pelotrabalho -partí cul aco es tá em toda de parte e toda m27, foi Aque importância de De Broglie lee mostrdo outrabalho que adua lidad e ondatem um mpri mento onda. E m atéria 19 sua ideia estranha foi apoiadapor elétro ns -partí cula se aplica a toda matéria. Sua equa que es comport avam como ondas diferação,ção estabel ece que omomentum deuma partí 128
QUANTUM SOLACE
cuia (de qu alquercoisa) mult iplicado po r seu GIGANTES E SEUS OMBROS compri mentode onda éigualà constant e de A Física cl áss ic a c o m eç o u d e f ato co m Planck.Umavez que a constante de Planck é muito pequena , o compri mentode onda N ewt on , e se u "ano mira cul oso" ( a n n u s de qualquer sa coi maior que ma u molécula m ir a b ilis ) de 1666. O renascimento da fí sica que deu início à mecânica quântica
é peqnos ueno, compara doosao seu nho real. Não pre ocuparíam com o cotama mprimen to de ondade um ônibus ou um gre, ti po r exemplo. A medida que consi deramos partí culas ma iores e m enores,sua s propriedades de ondaestornammais m i portant es.
começou com a publicação da teoria es pecial da relativ em
idade d e A lbert
E instein
1905. A mb os os ci ent ist as esta vam
tra balhando
base ados no tra balho de m
ui
tos dos primeiros cientistas que tornaram esses m o m ent o s de re velação possíve is. Suas descobertas reverberaram pelos anos
O
utro
mom
e nto
ne w ton
i ano
seguintes.
Não pareceimpossível que sa partículas possa m, de fato, se comportar como ondas, sultadoque mudou o mundo, depois da expli cação dadapor Einsteinem Foi um re ipia de tão importante qua ntoPrinc Newto n. equação de Einstein mostrava que ener Em um apêndi ce àsuateoria especial daA mas de fo rma relatividade , Einstein incl uiu umaprimeiragia é omesmo que matéria, diferente. A matéria pode ser convertida forma(menos suci nta) dessa equa ção,quese em uma qua ntidade muitogrande de ener traduzem palavra s como gia. E ste éo fundame nto da energia nucl ear e das arm as nucl eares, amba s controlam a Energia = massa X a velocidade da luz ao energ i a que pode se r lib era da, nterf i erindo quadrado, que agora é mais familiar como nos núcleo s dosátomos. E=mc2 1905.
ONDAS E PARTÍCULAS A d u al id ad e d a o n d a- p ar tí cu la é es p el h ad a p erf ei tam ent e na histór ia do s Prêmio s N obel d e Fís ica. Um dos homens que compartilharam o Prêmio No bel com De Broglie (foto à direita) por demonstrar as pro priedades de on
da dos elét rons foi G eorge
T ho m son . Ele era filho de j.
J.
Thomson que recebeu
o Prêmi o No be l em 1906 por de m o nstra r que os elé trons e ram partíc ula s. N enhum
do s dois é co nsidera
do erra do ; am b as a s exp lanaçõ es a ind a são ace itas. (O s laure ados com
N obel não po
dem es tar err ados.)
129
DENTRO DO ÁTOMO
Havia um probl ema fundam ental comcom a mecâ nica quâ ntica era impossível os modelo s de táomo de Rutherf ord e Bohr dizer exatam ente ondesta eva o elétro n. A que não podia ser resolvido dentrodos limi concl usão dele é ue q podemos ter umapro tesdefinidos da física newtoniana. Uma vez babil idade de onde está umapartí cula, com que o elét ron tem ca rga nega tiva, ele devebaseem nossoconheciment o de ondas de e ser a traído para o núcleo , que tem carg a probabil idademos ma temá tica,a ma s sinão de positiva. Deve acelerar afim dar su po ção po exata. de permanecer em órbi ta, Isso se tornou conhecido mas gastaria energi a fazen como aequaçã o de Schr õ do iss o, emitindo-a consta nte dinger. Aplicando aequa ção mentecomo ra diação eletro a elétrons, podem os afirmar magnética. Perdendo energia que existe uma probabilida dessa forma , o elétro n logo de talvez de 80-90% de o entraria on núcl eo, fazend o elétr on estar em uma deter um movimentoem espiral e minada área , mas permanece o átomo entrari a em colaps o. uma pe quena possi bilidade “Logo” ,ode fato,es uma afirmaçã imprópri ata- éiss o aconteceriaem ce rca de de z bilionésimos de segundo. A solução para esse que bra-cabeça exigiu a cont ri buiçã o de vário s físico s, ma s uma das contribuições mais importantes foi a do físico teóricoaustríaco rw E in Sch rõdinger (1887-1961). O
n d a
o u
p ar
tí cu
la
?
Se umapartícula está es por tando comonda, o podem os dizer realment e onde la e está? Est a foi a pergunt a que Schrõdi nger tentou esclare cer. Ele descarto u a ideia de que oselétro ns se m oviam em órbitas fi xas, vistoque O s f o g u e te s e s p a c ia is u s a m energi a nuclear
para g erar as
quan ti dade s enorm de que
130
preci sam.
es de ener
gia
de ele estar em a outro lugar. ca Abam os lgum com uma “funçã o de on da” queex pressa a probabilidade de a onda/partícula estar m eum determin ado luga r. Tomando um exemplo maior queo de u m elétron , se uma mosca tra en em uma caixa fecha da, a funçã o onda dela dáa probabilidade de ela ca estar mfunçã e qualq uer ugar l ten na ixa. A o onda de azeroem lugares nde o a moscanão pode tar. es L ogo, se parte da caixa or f estreit a dema is para a os mca entrar, a função nda o é nul a nesse ponto(e fora da caixa, co n tantoquenão haja furos por onde amosca possa esca par). Schrõdinger formulou sua equação em192 6, apenas dois anos de pois do trabalho inicial de De Bro glie sobr ea dualidadea d onda-partícul a.
QUANTUM SOLACE
ALBERT EINSTEIN (1879-1955) Einst ein na sceu e m Ulm, na A lem anh a, m as
pela gravidade, ele começou a produzir uma
tam b ém viveu na
teoria da relatividade abrangente e achou o
criança,
pois
as
Suíça e na It ália qu and o dificuldades
profissionais
trabalho mais difícil do que esperava. Lutou
de seu pai forçaram a família a se mudar.
com cálculos matemáticos, mas acabou pu
A p es ar d e m ais t ar d e ser ti d o c o m o gê n io ,
blicando a teoria geral da relatividade em
Einstein não foi um aluno promissor. Seu pai
1916. Suas teorias da relatividade redefi
consultou um especialista porque suspeita
niram o que pensamos do espaço, tempo,
v a q u e seu f ilho ti v ess e u m at raso m en ta l,
maté ria e e nerg ia. Q uando
e Einstein não conseguiu entrar na Politéc
thur Eddington confirmou parte da teoria de
o as trôno m o A r
nica de Z uriqu e por nã o ter co nh ecimen to s
Einstein mostrando que a gravidade pode
mínimos de matemática. Ele não conseguiu
curvar a luz (veja a página 70), Einstein virou
trabalhar na universidade, então aceitou um
estrela internacional no mundo científico.
em p rego no E scritóri o de P ate ntes em
Bern,
Einstein mudou-se para os EUA para escapar
Suíça. Esta acabou sendo uma boa iniciati
da perseguição nazista aos judeus. Passou o
v a, po is ele era u m b o m f un ci o n ário e ti n h a
resto da vida nos EUA, trabalhando na Uni
tem po livr e e energia in telect ual suficientes
v er si d ad e em P ri ncet o n.
para estudar
físi ca. E nquanto
estava no
Es
Embora Einstein tivesse ajudado a iniciar
critório de Patentes e estudava física durante
a pesquisa sobre bombas atômicas, arrepen
o tempo livre, ele publicou cinco trabalhos
deu-se de seu envolvimento e mais tarde fez
que mudariam o mundo, os quais tratavam
cam p anh a pe lo desarm am ento
do efei to fotoelé tric o, do
m ov imento
brow-
tam bém
tra balhou
nucl ear. Ele
par a o est abele cimento
niano e da teoria especial da relatividade.
do estado de Israel. Continuou a trabalhar
Com base em sua pesquisa publicada, ele
co m o f ísico teóric o até o fim da vida
as seg urou
para encontrar uma teoria do campo unifica
um po st o aca dêm ico em
Z uri que
, luta ndo
em 1909 . Recebe u o Prêmio No bel em 1921
d a - o que nã o conse guiu - , uma úni ca te o
por esse primeiro trabalho. Insatisfeito com
ria ou grupo de teorias relacionadas que ex
as limitações da teoria especial da relativida
plicasse tudo no universo. Ele nunca aceitou
de, que se aplicava a corpos em movimen
totalmente os avanços na mecânica quânti
to constante e consistente e não respondia
ca (veja a página 135).
O mode lo deSchrõdinger retratao elé- você faz uma medição,podeter umresultron situado em algumlugar em umanuvem tado di ferente. Mas sevocê fizer medições de probabil idadesrepre sentando todo s os suficientes,algumas - as mais prováveis lugaresonde lee poderia star e . A nuvemé mais densaonde o elétro n tem m ais probabilidade ed estare menos densa onde é menos provável de ele estar.Toda vez que
apare cem com mais frequênciaueq outras, Esses result adosmais prováveisse associ am a níveis deenergiasugerido s por Bohr. O result ado é que o modelo de chr S õdinger
dá result ados preci sos semas limitações Grandes fís ic os r eunidos em Chicago, 192 9: (da , Werner Heis enberg, inerentes ao modelode Bohr. No entanto , esquerda) Arthur Compton Geo rge Monk, Pa ul Dirac, Host Eckardt, Hen ry substitui r a ce rteza pe la probabili dadesigni Gale, Robert Mulli
ken, Friedr
ic h H un d e Frank Hoyt.
ficava ultuar afísicem a quâ ntic a. Ao tum mesmo tempo que Schrödinger va formulando seu própri o mode perse guia o modelo elétroncomo-onda, o 1976) esta tico de elétrons, mas favorecendo físico alemão Werner Heisenberg (190 1- lo matemá suas propriedades sem elhantes ^ à partícula, pois le e dava sal tos quânticos entre os orbitais. Ele, como Schr òdinger,publi cou e m 1926. O físico inglês
Werner
Heisenberg,
nad and o com am
à esquerda, igos. Até os
fí s ic o s n u c le a r e s re la x a m d e v e z em quando.
132
QUANTUM SOLACE
Paul Dirac (190 2-1984) desenvolveu u m terceiromode lo matemá tico e teóri co ao mesmo tempo. De fato, Diracfoi em frente para m ostrar que osoutrosdois mode los - de Heisenberge de Schrõdinger - na re alidade eramequiv alentes,e que todos estavam di zendoa mesmacoisa de formasligeiramen te diferentes. O s trêsganharamo Prêmio o N bel po r contri buiçõ es àmecânica quâ ntica. P ode
mo
s
estar
ce rt
os
?
PARA ONDE EU POSSO IR? O DILEMA DO ELÉTRON Toda a mecânica quântica pode ser cons truída a partir do princípio da incerte za. Relembrando o problema srcinal do modelo atômico apresentado pela mecâ nica newtoniana, de por que os elétrons não caem para dentro do núcleo e para esclarecer esse dilema, o princípio de Heisenberg oferece uma explicação. O momentum de
uma partícula em uma de
O princí pio da incertezaedHeisenberg , es terminada órbita é conhecido, logo sua tabeleci do em 1927, afirma quenão po de posição não pode ser conhecida com exa mos sa bertudo sobre um a partícula.Ele viu tidão - ele está em algum lugar na órbita. que uma consequênci a da mecânic a quânti ca Entretanto, se a partícula caísse no núcleo é queé impossív el medi r todos os as pectos sua posição seria conhecida - e seu mode uma partí cula ao mesm o tempo.Se me mentum também, pois este seria zero. Ao dimos sua posição e velocidade, podemos cair no núcleo, o elétron violaria o princí sabermais dentro de rto ces limites, ma s au pio da incerteza. Simplesmente isso não mentar a exatidão de uma me dida torna sa pode acontecer. De fato, a menor órbita outras m enos correta s. Esta éumaproprie em um átomo (veja a órbita do elétron em dade fundam ental da descriçã o quânti ca de um átomo de hidrogênio) é tão pequena medid a e não pode servitada e mudandose quanto possivelmente pode ser sem violar o princípio da incerteza - a matemática o método ou a s ferrame ntas deobservaçã o. Heisenbergalegou originalmente o funciona. O tamanho de átomos e de fato princípio de incerte za usando umahipóte sua própria existência são determinados se experime ntal. Por exemplo, poderíamos pelo princípio da incerteza. medir a posição de umapartícula em mo vimento fazendo uma luz brilhar sobre ela, pado e o futuro.Uma vez e nesse ca so teremos um de dois resultado s. mas também o ssa s um Um fóton deluz pode rseabsorvi do, fazenque umaposição sempreoi fe é apena conj u nto de poss ibi l ida de s, f ixar a trajetó ria do um létro e n no átomo salt ar paraoutro cula não é o que parece . Como nível de energia, e nessecaso alt eramos de uma partí Heisenb e rg disse : “A traj etó ria p assa a exis o átomoe nossamedida éfalsa. P or outro qu a observa mos”. A traje lado,um fóton nãoé absorvi do, mas passatir somente ando tória u f tura , de forma simil ar , não pode rse direto, e ness e caso não izem f os medição previ sta com rteza. ce nenhuma. A física newtoniana lida com certezas, O princípio da incerteza ma é is compli cado se tentarmo s trat ar ambas as “part ícu com ca usa efeito, um modelo determin ist em que o econhecimento permite a pre visã o.a las” eo fóton com o ondas-partículas. Heisenb erg perce beu que o prin cípio A nova mecânica quântica parecia derrubar o, pelo me nos nonível atômico. E la da inc ertez a não afetava apena s o presente,tudo iss
DENTRO DO ÁTOMO
"Aquele que não fica chocado com a teoria quântica não a entendeu." Niels Bohr
que setamos pro curandoe comoas estamos observa ndo. A uz l exist e tanto como onda quanto como partí cula simul tanea mente, mas só p aarece como uma ou utrao quan do amedimos. O ato demedir ou observar
determi na o result ado po r causa do tipo de estava lo nge deser c aeita em alguns rcu cí obser vaçã o queescolhemos fazer. No ponto los; até Einstein des confiavadeladizend o, em que amediçãoé feita e a qualidade de “Deusnão lança dados” , embora ele tiv esse onda ou edpartíc ula é de termin ada, diz-se de aceitar os lculo cá s matemá ticos. De fato, que afunçã o onda entra em colapso. Mais desde o início do sé culo XX o uso demoprecis amente, ela muda instantâneae desdelos matemático s temassum ido continua continuamente ra paa funçã o onda questa e mente o cont role dafísica xperimental e queria associ adaao result ado da me dição. podia ser testadaem laborató rio. O pensa Bohr reconhece u a importânci a do prin mento experiment al, apoi ado por cá lculo s cípio da incerte za, ma s foi além de Heisen matemá ticos, tornou-se o esteio danova fí berg oa destac ar que ste e nãoé um proble sica , basta nte teó rica.
ma quevem dainterferênciaísi fca envolvida na me dição, mas umaquestão mais unda f mental - o próprioato de fazer umamedi A INT ERPRE TAÇÃ O DE COPENHAGEN o (ou sist ema) que tá es Enqua nto Schrõ dingertendi a a focaros as ção muda asituaçã se ndo exam in ada . Iss o l ança dúvi das m e pectos de onda da dualidade ondapartícul a, issado método cientí fico. Pode Eleisenberg se concentrou mais partícul na a toda a prem nã o have r um observador etiv obj o se o ato e apresento u seu trabalho na forma dema vaçã o em si afetar o re trizes, enquanto Schrõdinger tra balhou comda mediçãoou obser a teoria da probabil idade.Em volta dessas sultado. duas abordage ns, surgi ram doisrupo g s dis tintos de ífsicos, cada um acreditando quea U m gato e m u m a ca i xa outra abo rdage m estiv esse errada. A explicação de Bohr não agradou a nin Em 1927, Bohr, Hei senberge o físicoguém. Schrõ dinger mostrou seu desdém Max Virn (18821970), nascido naAlema descre vendo um xercíci e o intelectualpara nha, rabalharam t juntos para produz ir um a demon strar oabsur do daInterpretação de síntese dosaspe ctos aparentement e cont ra Copenha gen. No expe rime nto de Schrõdi n ditórios dateoria quâ ntica, conhecidacomo ger, umgato é fechado em umaixacacom “Interpreta ção de Co penhag en”. Esta diz um disposit ivo que consist e de u ma qu an quenão são as partícul as atômicas ou ótofnstidade m inúscula desubstânc ia ra dioativa, “que secolhem” entre agir co mo um a ondaum cont ador Geiger, um pe queno frasco de ou partí cula em qua lquer ponto, ou que las e ácido hidro ciânicoe um martelo.O equipa são real mente uma ou outr a: emvez di s mento é montado de m odo que se houver so, os as pectosque sa fizeram parecer ir ag o decaimento de um átomo da su bstância comouma ou utra o sã o dois ladosda mesmaradioativa, a de tecç ão da partíc ula li bera moeda . Qual deles nósvemos ecomo in terda fará o ma rtelo quebrar orasco f e o ato g pretamos seuompo c rtamentodependedo será intoxicado com oás. g A probabili da134
QUANTUM SOLACE
O gato de Schrõdinger, morto e vivo, em uma caixa com e sem veneno.
tecer,sso i no s ajud a a chega r a um acordo com ainfinidade.Se um novo univ erso tem de se dividir cadavez quevocê escolhe entre chá ou ca fé, ou que umgirino nadapara a esquerda oura paadireita, ou um galho cai ou nã o cai em um telhado, deve ha ver mui tos univ ersos - em algu m lug ar. E mbaralhamento
qu ânti
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PARADOXO EINSTEIN-PODOLSKY-ROSEN
Albert Einstein foi um que não aceitou a Interpretaçã o de Copenhag en. Em 1935, Einstein e os físicos americanos Boris Podolsky (189 6-1996) e Na than Rosen (190 91995) prepararam o chamado para doxo de deum átomo decair ou nã o é igual,e oEPR. Este suponha que uma partí cula es gato não podeinterferir no equipa mento. O tacionária decaía, produzindo duas outras gato é deixado na ca ixa por uma hora. Nopartícul as. Elas de vem termomentum angu final da horas a cha nces sã o 50:50 delee es lar igual e opo sto de modoque secance lem tarvivo (ou morto). Seguindoo arg umento mutuamente nservaçã (co o do momentum de Bohr e Interpretaçã a o de Cop enhag en, o estado - morto ou vivo -do gato não é determinado até har ol mos dentroda caixa. Isto, di zia e le, er a ridícul o. M ui to s un i ve r sos
Outra espo r sta àideia repugnant e de que tudo existe em umanuvem deprobabilida de até qu e seja observado oi fo mo delo de “muit os mundos” propo sto em 1957 pelo físico am erica no Hugh Evere st III (19301982). Este sugere exi a stênci a de um nú mero infinito de universos ra pa lelos que expli cam todos os re sultado s possív eis pa ra todas as que stões possíveis. Em mome ntos de tomadade decisão u(o observaçã o), um novo univ erso se divi de. Se nadá mais acon-
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DENTRO DO ÁTOMO
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Padrão de difração do elétron do berílio.
da partí cula-mãe. E ssa ligação en tre sa par tículas de ve con tinuara exist ir depoi s dese rem em itidas e seguirem ca minhos separa dos.Se medimo s uma prop riedade para uma partí cula, destruí mos afunçã o onda paraa mesmapropriedade na outra partí cula - ela é afetada instantânea inevi e tavelment e. Assim como o gato de Schrõdinger, as partículas de Einstein oram f oncebidas c deliberadam ente paramostrar o absur do da Interpretação de penh Co agen, mas aca angular), e todas sa suas outras propriedabara m a fortal ecendo. Desde entã o, foi de des quânti cas deveme sequilibrar demodomonstradaa existênci a do embaralhamento semelhant e para conserv ar a s prop riedadesde partí culas, co m partí culas se para das por vários quilômetros. O emaranhado pode r colo cado em uso práti co, oferecendo Frederic Joliot e Irène Joliot-Curie trabalhando em até se seu laboratório. novos mé todos rápidos de cá lculo (usa ndo
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QUANTUM SOLACE
James Chadwick ganhou um Prêmio Nobel por seu trabalho sobre o nêutron realizado em fevereiro de 7932.
“qubi ts”, ou bits quâ nticos), comunica ção instantânea , cript ogra fia. De fato, o emba ralhamento oferece uma maneir a de trans mitir informa ção mais rá pido do qu e avelo cidade da luz. A
BUSCA P OR MA IS PARTÍ CULAS ATÔMICAS
Há muito é sabido que os elétro ns poderiam ser raranca dos do átomo com bastanteaci f lidade, poi s foi assimque lees o f ram de sco berto s em 1897. No início dos n aos 1930, Walter Bothe(1891-1957) e Irène Joliot-Curie (189 7-1956, filha deMarie ePierre Curie)e seu marido Frédé ric Joliot-Curie (19001958) descob riram quea radiação de partícula lafa no beríl io produzia utro o tipo de radiação. Esse tipo expul sava algo de outro s eleme ntos, mas não estava claro o que rea. Os Joliot-Curie anunc iara m seus resultados m e janeirode 19 32. O ífsico in glês James Chadwick 1 ( 891 -1974) repeti u os exper imentosmediatame i nte e explicou librada. o efeito sugerindoqueas partículas alfa eswick Durante dauma apartícul déca daa deneutra, 192 0,que Chad pro curouto e le tavam xpulsando e sbit do núcleo de átomos va que ssumisse a forma a deum pr ó de beríl io. Primeiro , ele pe nsou que ssees espera traba lho mais “bits” fossem pares prót on-elétron,pois nã o ton e elétron ligados. Masuse impo rtante, pelo qua l ga nho u um Prêmio tinham carg a elétrica ou sta e não era qui e Nobel em 19 35, concentrouse em CANDIDATOS À PATERNIDADE DO TERMO algu ns di as fre Dois anos antes de Chadwick atribuir o nome "nêutron" para sua partí nético s em feve cula sem carga no núcleo, o físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958) reirode 19 32. As usou o mesmo nome para uma partícula teórica que ele sugeriu ser emi medições queele tida do núcleo durante a radiação beta. Sua ideia teve um impacto tão fez em 193 4 der pequeno na época que Chadwick "copiou" o nome sem problemas. A rubara m suapri existência da partícula de Pauli acabou sendo confirmada nos anos 1950 meira conclusão, e atualmente é chamada de neutrino (veja a página 145). pois as partículas
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ROCHA DAS ERAS Em 1920, Frederick Soddy previu que, como um isótopo muda (decai) em outro isótopo ou elemento, este poderia ser usado para datar as rochas. Hoje, esse método é usado ampla mente. Por exemplo, o carbono-14 se transforma em nitrogênio-14 por meio do decaimen to beta a uma taxa conhecida - leva 5.730 anos para decair pela metade (sua meia-vida). Portanto, medindo-se o índice de carbono-14 em relação ao nitrogênio-14 remanescente em uma rocha, é possível determinar a idade dela. Essa técnica é chamada de datação de carbono.
eram pes adas demaisara p serem um único ser ma ntidos esprem idos junt os no núcl eo de próton e um únicoelétron gados. li Ele con um átomo? Aexpli cação é achama da força a, sugerida pela primei ra ve z cluiu quedevia ha ver outroipo t de partí cunuclear extrem la subatômicaque - não tinha carga, à qualem 193 4 pelo físico japonês de Eli ki Yukacham ou denêutron. Isso signif icava que as wa (19071981). Ele suge riu que aforça ra e variantes de elementos químicos com dife carreg ada por artí p culas chama das mé sons rentes pesosatômicos, cham ada s isóto pos, que são trocada s entre prót ons e nêutro ns. podiam se r expl icada s com simpli cidade . Os mésons sã o partí culas comvida curta que Todos osisótopos de um de terminado eelsobreviv em a pena s por algumas centenas de mentodevem con ter o me smo número de milionésimos de segundo. prótons e elétro ns, mas núm eros diferente s Ao contrário da gravidade, das forças de nêutro ns. elétri cas emagnéticas, aforça forte n ão O nêutron é um a espécie de supera stroobservaa lei do quadra do inverso. Ela é atômi co. Ele torna possív eis sa reações em muito forte - cem vezes mais forte que a cadeia oco rridas nas usinas nucleares nas força e elétrica - por uma distância uito m bombas atô micas,e tam bém pode sersado u curta de até 1 3 cm, mas depo is desap are paraexamin ar aestrut ura deoutros áto mos,ce, não tendo orça f paradistâncias maio umavez que os nêutro ns nã o são defletidosres. No raio de um núcleo ela é forte o por cargas positivas ou neg ativas. suficiente pa ra su pera r a repulsãoeletros tática entre prótons. Mesmo assim, afor te força n ão as press iona tantoa ponto de tudo J untando garem- ela co nserv a uma dis Os prót ons e osnêutrons osãmisturados eles no seesma ntre e eles. A faixa de fo r núcl eo, que ocupapena a s uma porção mi nústância minúscula nho dosnúcleo s atômicos. cula o d átomo -em tornode cem milionésiça limita o tama iro media mos dele. Se o á tomo tivesseo diâmetro deO méson pi,ou píon,o verdade um estádiode futebol,o núcleo seria o ta d dor daforça nuclear, foi descobertoem 1947 por rt ês físi cos, um inglês, um brasi manhode um grã o de a reia. Se o áto mo fosse grande como Terra a , o núcleoeria t 10 quilô leiro e um italiano , respectivamente Cecil metros dediâme tro. No entanto , ospróto ns Powell (1903-1969), César Lattes(1924 ni (1907-1993), devemrepelir uns os a outros por causa de2005) e Giuseppe Occhiali enqua nto investigavam produto s de raio sua s carg as igua is. Então co mo eles podem
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AS COISAS DESMORONAM
cósmico.Yukawa recebeu o Prêmio Nobel de Físi ca em 194 9 por suaprevisão. As coisas desmoronam
Enqua nto muitos físico s estava m exam inan do como ostomos á sã o mantido s unidos, outros estavamexplorando co mo osátomos podem se desm anchar. Depois que Henri Becquere l descobriu a dio raatividade, mais pesquisas guiram se me várias di reções.Ru therfo rd e o radioquímicoinglês Frede ric Soddy 18 ( 77-1956), traba lhando untos, j
Uma usina nuclear em Cattenom i, França.
CADEIA DE DECAIMENTO RADIOATIVO DE URÂNIO-238
Quando há decaimento de um isótopo radioativo, ele se torna outro elemento, o nuclídeo filho. Este também pode ser radioativo, resultando em mais decaimento. 0 tempo que leva para a metade do isótopo decair é chamado "meia-vida". O urânio-238 decai natu ralmente em chumbo-206, passando por 14 etapas como mostrado aqui. E L EM E N T O
TIP O DE DECA I-MENTO
urânio-238 tó r i o - 2 3 4 protactínio-234 urânio-234 tório-230 rádio-226 radônio-222 polô nio -2 18 chumbo-214 bismuto-214 polônio-214 ch u m b o - 2 1 0 bis muto-2 10 polônio-210
emissão-alfa emissãobeta emissão beta emissão-alfa emissão-alfa emissão-alfa emissão-alfa emissão-alfa emissão beta emissão beta emissão-alfa emissão beta emissão beta emissão-alfa
MEIA-VIDA
4,5 bilhões de anos 24dias 1,2 minutos 2 4 0 .0 0 0 anos 77.000anos 1.600 anos 3,8dias 3,1 minutos 27 minutos 20 minutos 160 microssegundos 22anos 5 dias 140 dias
NUCLÍDEO FILHO
tório-234 protactínio-234 urânio-234 tório-230 rádio-226 radônio-222 polô nio -2 18 ch u m b o -2 14 bismuto-214 p o l ô n io - 2 1 4 ch um b o- 21 0 bismuto-210 polônio-210 chumbo-206
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DENTRO DO ÁTOMO
"Poderíamos, nesses processos, obter muito mais energia do que o próton fornecia, mas em média não podíamos esperar obter energia dessa form a. Era uma forma muitopobre e ineficiente de produzir energia, e quem procurasse uma fonte de energia na transformação dos átomos estaria sonhando. Mas o assunto era interessante cientificamente porque dava uma ideia esclarecedora sobre os átomos." The Times,12 de setembro de 1933, em uma fala de Ernest Rutherford sobre energia atômica.
dese nvolveram um modelode de caimentoportanto, o átomo setorna umeleme nto radio ativo em 190 3. Eles expl icaramqueum diferente. E les pre viram q ue o deca imento iria hélio, um re sultado que átomode um elemento pesa do poderia se r de rádio produz instávele decair, perde ndo uma partícul a Soddy tingiu a em 903 1 enquantorabal t ha alfa (núcl eo dehélio) ou ter o de caimentova com o químico escocês William Ramsay de um nêutro n emum prót on e emitir uma (18521916 ) em Londres . Em 1913, Soddy partí cula beta (elétro n). Em ambos osca afirmou que em a issão de uma partícula alfa sos, o númerode próto ns no núcleo muda, reduzia o núm ero a tômico em dois (poi s dois prót ons sã o perdidos) enqua nto a emis são de um a partícula beta umentav a a-o em Enrico Fermi um (poi s umnêutrondeca i em um elétron , que es perde,e um pró ton que permanece ; portanto,aumentando onúmero tômico) a . Soddy criou o me no “isótopos” para descre ver variantes de um elemento com diferen tes ma ssasatômicas. Em 1919, Rutherford descob riu quese bombar deasse o nitrogênio com partícul as alfa, este setransf ormava em um isótopo de oxigênio, perde ndo umnúcleode hidro gênio (um único pró ton) no process o. Esta foi a primeira tra nsmu taçã o artificial deum eleme nto em outro - um objetivoalmeja do pelos alquimistas oa longo dos sé culos, em bora com ameta ma is ambiciosa de trans formar o me tal baseem outro. Em vez do primeiropasso em um novomundo da al quimia, oif o primeiro passo no âm bito da física nuclear. Entre 19 20e 19 24, Rutherf ord eChadwick demonst rara m que amaioria dos elemen tos mais leve s emit irá próto ns sebomba rdea da com pa rtículaslfa a. 140
AS COISAS DESMORONAM í
A reação em cadeia produzida pelo decaimento de urânio-235 induzida por bombardeio com nêutrons.
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mentos com partículas alfa, podiam trans 0 /" N? (2Mu ) ^
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formá -laso em isótopo instáveis que entã deca iriam.s ra Odioativo físico sitaliano En rico Fermi 1901( 1954) ampliou apesquisa , usando nêutro ns lentos para produzir mais radioatividade artificial. Ao urâ nio com nêutro ns, Fermi pensa va ter cria do um novo eleme nto, ao qual chamou dehespé rio. Em 1938, no ent anto, um g rupo dequatro ien c tistas lemã a es e uastrí acos descobri u que de fato a téc nica deFermi tinha divididoo nú cleo deurâni o em duas partes aprox imada
mente gua i is. Esse process oLeó é afissã o nucl ear. O físico húngaro Szilárd (18981964) percebeu que os nêutrons liberados o o o por umareação de fissã o nuclear podiam o ser usadosara p gerara mesmareaçãoem outros átomos, levandoa uma reação em A p r o ve i tan do a r e ação e m cadeia cadeia uto a ssustentável . Szilárd setavaem A transformação de um elemento em outro Londres qu ando ifcou indignado com um pode ser de senc adeada artificialmente e pode The Times de artigo em scarta ndo a possi ser afonte de um imenso po der. A energ iabilidadelevantadapor Rutherf ord de que a liberada na de tonação de um a bombatômi a energ ia dentrodos á tomos podi a ser apro ca, ou ada em uma estaçã paraar fins ialomew a pé nucl ear,aprov vemeit de uma reaçã o nucl eoardeemenergia deiaveitada ca paratrabalh nopráticos. HospitaEnquanto l St. Bartho com partícul as emitidas por um de caime nto e espera va o sinalde tráfego mudar emouS atômicousado para de senca dear outro. thampton Row, em Bloomsbury, SzilárdreIrène e Frédéric Joliot-Curie descobri rama radioati vidade induzi da, ou artificial,em 193 4, ao pe rcebe rem que oa bombardea r alguns eel
O primeiro reator nuclear do mundo se torna autossustentável em Chicago, 1942 (nenhum fotógrafo estava presente).
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O MUNDO LIBERTADO - OU NÃO
Leó Szilárd foi inspirado por um roman ce escrito pelo escritor inglês H. G, Well, chamado O Mundo Libertado (1914), em
"Nós viramos o interruptor e vimos os flashes. Nós os vimos por pouco tempo e então viramos novamente o interruptor e fomos para casa... Aquela noite, havia poucas dúvidas em minha mente de que o mundo estava se
que um novo tipo de arma, uma "bom ba atômica", provocou a devastação.
dirigindo para o sofrimento."
As bombas atômicas ficcionais de Wells continuaram a explodir durante dias.
çar uma reação em cadeia usando urânio
Isso levou Szilárd a pensar seriamente em aproveitar as reações nucleares em
Léo Szilárd, após ter sucesso em comeem Columbia University, Manhattan, em 1938
cadeia para fazer bombas atômicas reais. Szilárd mudou-se para os EUA em 1938, e um ano depois convenceu Albert Einstein a escreverem juntos para o presi dente Franklin D. Roosevelt, pedindo que o governo montasse um programa de pesquisa para desenvolver uma bom ba atômica, a fim de combater o risco de a Alemanha nazista desenvolver armas nucleares primeiro. Este foi o Projeto Ma nhattan. Szilárd idealizou o projeto como uma forma de proteger o mundo contra a destruição descrita por Wells, pois espe rava que a bomba fosse mantida como ameaça, e não realmente usada. Ele ficou cada vez mais descontente à me dida que o controle da pesquisa passou para os militares, e insistiu em uma de monstração da potência de uma bomba atômica aos japoneses que garantisse a rendição sem a perda de vidas, uma su gestão que o governo dos Estados Uni dos rejeitou. As bombas atômicas foram lançadas sobre as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki em 1945, causan do grande devastação e muitos milhares de mortes. Depois da guerra, Szilárd pre viu o impasse nuclear que caracterizaria a Guerra Fria. Ele se afastou da física para se concentrar em pesquisa sobre biolo gia molecular.
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solveu como uma reação nuclear em cade ia poderiafuncionar. eElpediu patente por issono ano se guinte. D e fato, Szilárd tinha original mente as patentes tanto da reação em cade ia quantodo rea tor nucl ear (com EnricoFermi) , embora abrissemão da pa tente das rea ções nucl eares em cadei a para a Marinh a Britânica m e 1936. Szilárd oi f o pioneiro no dese nvolvimentoda bomba atômi ca (vejao qua dro). FrédericJoliot-Curie produ ziu evidên cias experi mentais da reação em cadeia em 1939, e cientistas emmuitos países (inclusive Estados Unidos, Reino Unido, França, Alema nha eUnião Soviética) so licitaram din heiro parapesquisar fissã a o nucle ar. O pri meiro rea tor foi o Chicag o-Pile-1 em dezembr o de 1942, construído para produz ir o pl utônio a ser usado em armas nucleares. O fi m do á tom o clás si co Com o modelo de Bohr, era impossív el res ponder pe lo compo rtam ento do átomo em term os da física clás sica . O núcl eo min úscu lo contém os próto ns enêutrons, mantidos juntos pela força nuclear forte. No espaço vazio, os elétrons giram com velocidade em torno de sua s conchas designadas,sair sem
de sua s órbitas, mas pazes ca de salt ar deDetonação de bombas atômicas sobre Hiroshima e Nagasaki (direita) em agosto de umaparaoutranascircunst âncias certas.(esquerda) O 1945. que os antigos, com seu conceitode átomo indivisível, acha riamdifícil de entende r foi ns sã o exem plos de hánão ape nas queo átomo continha e létro ns, Prótons enêutro is todos sã o compostos rpo três prótons e nêutro ns, masque osprótons edrons,os qua qua rks b ( ár i ons) ou um quark um e anti quark nêutro ns podem ser ainda mais divididos. A segunda me tade o d século X X viu a de sco(mésons). E xperim entos no S tanford Linear berta dosquarks , unidos po r uma forçame Accelerator Center em 1968 revelaram que n não é indivisível, mas abrangeob diada or p giúons. E intrigante que sta e e sjao próto a força fo rte- a mesma responsá vel por li jetos menores, semelhantes a um ponto, que n cha mou de“párto ns”. O gar próto ns enêutron s. De fato,a ligaçã o deRichard Feynma modeloquarkfoi pro posto em 19 64, mas prótons e nêutrons élgo a de efeit o residual. f identif icados imedi a A forte força que age sobre os quarks é bem os pártons nãooram m os q uarks. Os qua rks vêm em mais interessa nte.Em ve z de dimi nuir a distamente co bore s: “up”, down”, “ “to p”, “bo ttom”, tânci a, a fo rça se torna m ais of rte até qu eseis sa “strange”e “charm” (“to p” e “bottom” às atinja um máximo que elaxerce e sobre to das as distânci as su bstancial mente ma iores vezes são chamados “verdade” e “beleza”). que oiúo tama de e um próto n pela oupri nêutron . Os qua rks, antimatéria - conceito antiqua têm antissa bores que srcin am srks estra Os g ns nho foram d tectados meira ntiestranh “a o” e o quark vez em 1979 usando o colisor elétron-posi- nhos como o quark “anti-up”. Na vida normal,estes poderiam tron PETRA, na Alemanha. 143
ÉI “
DENTRO DO ÁTOMO
mero de partí culas subatô ser h c ama dos “mundano” e “down”, ma s no O grande nú ivro, l mas estranho mundo dos qua rks,“down” nã o é o micasvai além od escopo deste bas t a diz e r q ue exist em muit o s que ianda mesmo que “anti-up”. dscober tos ou co mprovados, Tanto pró tons qua nto nêutrons osãbá- não foram e propriedades efunções desco rions esão apenashádro ns estáveis, emboalguns com ra osnêutr ons só sejamstáveis e dentro do nhecidas. núcleo de um átomo.Existemcercade 40 tipos conhecido s ou pre vistos debárion, e M at é r i a e an ti m at é r i a cercade 50 tipos conh ecidos ou previsto s Em 1927, Paul Dirac publico u umaequa de méson. Eles têmnomesbizarro s, comoção de ondadefinitiva do elétron que cao moda va plenamente requisi os tos da teo “ômega duplamente carregado bottom” relati vidade (v eja apágina (um bário n de ma ssa ou duraçã o descoria especial da ela nhecida).Alguns têmvida muito curta (s e 132). Surpreendentemente, no o,entant é que existem) -como o bá rion delta,que tinha dua s soluçõ es; uma des crevi a o elé alente oa dura apena s 5,58X 10-24 segundos. (Isso tron familiar ea outra algo equiv , mas com carga positiva. Primeiro, significa que levaria cerca de 30 vezes oelétron númerode partículas delt a queas estrelasDirac te ntou enca ixá-la no próton, mas no universo para durarum único segun esta tambémtinha massa demais.Outras riram que oa usar ener do.) Os primeiro s mésons de scobe rtos of investigações suge ciente, um rpade pa rtículas po dia ram káons epíons, encont rados em raios gia sufi ser cria do com ca rga elétrica oposta,mas cósmico s em 1947 .
O QUARK DE UM PATO O nome "quark" foi escolhido por uma das duas pessoas que propuseram sua existência independentemente em 1964, Murray
Gell-Mann.
Ele
escolheu
esse
nome lembrando o som feito pelos patos, querendo que fosse pronunciado "quork", mas não conseguiu se decidir quanto à es crita. Ele optou por "quark" depois de en contrar a palavra em Finnegans Wake, de James Joyce: Três quarks para o senhor Mark! Ele não chega a latir exatamente E certamente qualquer latido que ele dê será além do esperado.
144
O FIM DO ÁTOMO CLÁSSICO
massaidêntica. Em 193 2 e 1933, Cari Anderson desco briu ves tígios de uma partí cula carre gada positivamente como previsto por Dirac. Ele a chamou depósitron. Outros a reconhecera m como a primeira partí cula antimatéri a a ser de scoberta. Desde entã o se encon trou uma a plicaçã o práti ca para o pósitron em uma téc nica de diag nóstico médico por imagem cha mada scan PET (tomografia por missã e o de pósitron). Agora sabemos Murray Gell-Mann deu o nome aos quarks. que to das sa partí culas têm partículas antimatéria correspondentes com pro priedadesxatamente e opo stas . da e pudesse carregar qualqu er quant idade de e nergi a ci n éti c a pa r a cima , até um má P ar tí cula s fantasmas stabelecido . Ele cha mou suapar Uma da s partículas ma is intrigantes e diximo pree , emboradois fíceis de de scre ver éo neutrin o, sugeridotícula potencial denêutron anos depoi s Chadwi ck adotass e esse nome pela primeira vez por Wo lfgang Pauliem a conh ecemos 1930. Ele pre cisava de la paraequilibrar para apartícula que gora como nêutron. uma e quação. Quando o núcl eo de m u 3, Enrico Fermi deu no ome de átomo radioativ o decai,a energialiberada Em 193
deveria ser igual àquela presente srcinal “neutri no” pa amisterio partícula de Pau s ra eriu quemsa u nê utron deca i em mente. Mas Pauli descobri u que não erali. Fermi ug um próton e um elétro n (que també m de este o ca so. A energia que se perdia era cai se levado para fora d o núcleo atô mico), maior do queaque la quepodia ser medi e ta mbém a um novo tipo de partí cula não da, o quesignif icava quelgo a estava se n gada, o neutrino . Então oneutri no era do emiti do e não esta va sendo identificadocarre em itido jun tame n te com um e létro n duran pelos detectores. auli P sabia que , dura nte iment o beta . o dec aime nto beta , os elétron s emitido s te o deca Os neu t ri n os nã o saíram dateoria até aparentemente diam po ter uma qua ntida ricanos rederick F eines R de enorme deenergia até um máximo paraque os físicos ame (1918199 8) e Cl yde Co w an (191 9-197 4) os cadadetermi nado ipo t de núcleo. Mas se fosseeste re almente o so, ca violaria a lei datanques detectaram em 195 3. de Eles m r gra ndear es de gua á perto umusara reato nucl conservaçã o de energ ia. A solução radical como “coleto res de neutrin o”. Calcul aram de Pauli foi sugerir existência a de outra que o rea t or ge raria de z tri lhões de neut ripartícula sem carg a que não era qua ntifica145
É
DENTRO DO ÁTOMO
"Fiz algo muito ruim hoje ao propor uma partícula que não pode ser detectada. É algo que nenhum teórico deveria fazer ." Wolfgang Pauli, diário, 1930.
isso,existe m uito espaço para os neutri nos zarpa rem por tudo e, po r não terem carg a, eles não são defletidos nem desviados por elétronsou prótons. Cerca de 10anos após desco a berta do
primeiro neutrino, um detector de neutrino especializ ado o f i instaladoem umamina de ouro emDakota do Sul. O detecto r consis nos po r segundo e conseguiramcoampatia deum vasto tanque io che de fluido para nhar três por uma hora. Cl aramente muito s limpezaa seco, ricoem cloro. Quando um esca pavam, mas os pouco s que les e enco n neutri no colide comum átomo decloro, ele traram orneceram f prov a a necessária de cria árg on radioati vo. A cada poucos mes es, queos neutri nos exist em. um examedo tanque rev elava cerca de15 Os neutrin os têm massa desprezív el e átomos deárgon, mostrando que 15 neutri não têm carga; rpo isso pass am por tudonos tinhamolidi c do com tomos á de loro. c que encont ram sem impedimento algum. O detector oi f usa do continuam ente dura n De fato, se um feixe de neutri nos fossediste maisde 30anos. para do contra umaparede de chum bo de Hoje existem muito s detecto res d e neu espe ssurade 3.000 anosluz, metadepassa trinos construídos em subsolos profundos, ria por ela se m ser de tida. Existemneutri alguns m e velhas minas, utro o s sob o cea o nos emiti dos pelo Sol e fluindo deexplosões no e també m abaixo do ge lo daAntárti ca. Não estelares. Real mente, cercade 100 trilhões é problemaparaos neutri nos chegar até os de neutri nos passa m por nossocorpo a dete ctores, mas o abrigompede i os cien cadasegundo. Lembrese dequeos átomostistas deconfundi-los com ra ios cósm icos são basicamente spa eço vazio- o núcleo (p é artículas ma iores q ue são impedidas pela o grão de reia a o n estádiode futebol . Por matériainterveniente ). O detector neu trino Super-K no Japão usa 50.000 to ne ladas de água em um tanqueecha f do por um dom us
O detector MINOS (Mains Injector Neutrino Oscillation Search) no Soudan Underground Mine State Park, usado
para investigar neutrinos.
146
O FIM DO ÁTOMO CLÁSSICO
com 13.00 0 sensores de luz. Os sen UMA ROTA CIRCULAR sores detectam um clarão azul sem pre queum neutrin o colide comum O KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiátomo nagu áa e cria umelétron. Ao ment), que será usado para calcular a massa de traçara trajetó ria exata u qe o elétr on um neutrino, foi construído a 400 quilômetros de Karlsruhe, Alemanha, onde funcionará. No entan
faz pela gua á e, dire osçfíãsicos po demiden tificar dequ o o neutrino veio, to, por ser grande demais para ser transportado e daí deduzem suaorigem. Amaioria por estradas estreitas, foi transportado por barco pelo Rio Danúbio, entrando no Mar Vermelho, vem do Sol. Em 2001, os físicos des passando pelo Mediterrâneo, contornando a Es cobriram qu e os neutrinos vêm m e panha, atravessando o Canal Inglês e entrando no três “sa bores”. Existemmuito s outros Reno, para Leopoldshafen, Alemanha, onde então tipos além do ue q eles ti nham per continuaria por estrada. O trajeto levou dois me cebido , mas eles descob riram apena s ses e cobriu 8.960 quilômetros. aque les quecriam elétr ons quando interage m com amatéria. Adesco berta de asbores tem ma is uma imp licaçã o prob lem a com o qu al estive trabalhando.
-sa.signif qu e ros neutrino sr a possu em ma s o Continuei agora a brincar com isso da for Umica det ecto para medi massa deum neutri no entrará em opera ção na Alema nha ma descontraída que tinha feito no início e era como tirar uma rolha de uma garrafa em 2012. O traba lho de Feynmann sobre spin o - tudo si mplesmente derr amou, e em pouco tempo eu resolvi as coisas que me fizeram e a rotação de elétro ns nasce u ao ver uma placa irando g e fleti re ndo sobre aoscilaçã o ganhar o Prêmio Nobel mais tarde." enquanto ele observa va o padrã o. "Enquanto almoçava, uns garotos ati raram uma placa na lanchonete. Havia um medalhão azul na placa, o símbolo de Cor nei I, e quando eles atiraram a placa e ela começou a cair, a coisa azul girava e me parec ia que com mais ra pid ez do que a osci lação, e eu não entendia a relação entre as duas. Por brincadeira, pois aquilo não tinha importância nenhuma, montei equações de movimento que faziam coisas girar, e desco bri que se a oscilação fosse pequena, o me dalhão azul giraria duas vezes mais rápido que a oscilação. Comecei a brincar com essa rotação e esta me levou a um problema semelhante da rotação do spin de um elétron de acordo com a equação de Dirac, e isso me levou de volta à eletrodinâmica quântica, que era
A ÚLTI MA PARTÍCULA PE
RDI DA
A antimatéria e os neutrinos foram contem pladosem teoria antes desere m descob er tos. A gora acaça éde outra part co gitada em teo ria,d oabóson de gg Hi s. ícul As aveze s denomin ada “partícul a de Deus”, o bóson de Higgs é aúltima partícul a no cham ado Modelo Padrã o do m undo ísico f queinda a precisa rsedes coberta. Obóson de Hi ggs não precisa exist ir em todos os modelo s da física, em e alguns model os pode haver ma is de um tipo debóson deHiggs. D escobri r se a partí cula existe ou nã o ajudará os cien tistas adecidi r qual dos odelos m sugerido s é mais pro vável de star e correto. O bóson de Higgs épensa do como um compo nen te do cam po de Higgs. Passar pe lo campo de Higgs confere massa às partí culas. Se o 147
É
DENTRO DO ÁTOMO
RICHARD FEYNMANN (1918-1988) Nascido em Nova York, Feynmann foi apresentado à ciência por seu pai, que fazia uniformes, mas tinha interesse por ciência e lógica. Feynmann estudou em Massachusetts
Institute
of
Technology
(MIT) e Princeton antes de trabalhar no Projeto
Manhattan
para
desenvolver
a bomba atômica durante a Segunda Guerra Mundial. Mais tarde ele entrou para o Califórnia Institute of Technology. Feynmann foi um professor carismático e popular com muitos hobbies e interes ses incomuns, entre eles tocar bongô em um bar de strip tease. Ele desenvolveu a teoria matemática da física de partículas e demonstrou que a interação entre elé trons (ou pósitrons) pode ser considera da em termos dos elétrons trocando fótons virtuais, e mostrou essas interações na forma de "diagramas de Feynmann". Famosamente, ele tinha uma van decora da com diagramas de Feynmann, a qual ainda existe em uma garagem na Cali fórnia. Ele também foi pioneiro da com putação quântica e chegou ao conceito de nanotecnologia. Niels Bohr procurava Feynmann para discutir física porque os demais reverenciavam tanto a ele próprio que acabavam não o contradizendo nem destacando falhas em seus argumentos.
Diagramas de Feynmann de: (!) interação do neutrino com a matéria com corrente carregada; (2) interação do neutrino com a matéria com corrente neutra; (3) um processo de dispersão; e (4) decaimento do nêutron.
148
Túnel do LHC em CERN.
agando próto ns junt os a bóson de Hi ggs existe,ele éparte in tegralbósonde Higgs esm dade s. da matéri a e está presente emdatoparte. altas A veloci primeira de scriçã o completa adpartí cula fo i dadapor Peter Higgs em 1966. P ar tí culas d a s e str e la s A busca pelo bóson de Higgs exige o Grandes colisores de hádrons tentam imi uso de col isores em grande esca la, como otar sa condições qu e existiram no início do Grande Colisor de Hádrons (LH C - Large própriounivers o, com sa partículasorça f Hadron Co llider) no Cern, Suíça, eo Teva- das a se juntar sob imensa press ão. O fato tron no e Frmilab, EUA. Existemvárias m a de termos id eia do que pode ter acontecid o neiras de o colisor dehádrons pro duzir um próximoao iníciodo universo é o re sultado de mil hares de os an de b oservaçã o e da formulação de teorias sob re RENOMEANDO O NÃO EXISTENTE a s estrelas o e espa ço, uma t a ivida Muitos cientistas fazem objeção ao termo popular de que em s dúvid a começou antes "partícula de Deus" para designar o bóson de Higgs. dos reg ist r os histó ricos de nossos A sugestão mais popular em um concurso para dar novo nome a ele em 2009 foi o "bóson garrafa de champanhe", mas outros nomes concorrentes foram "mastodon", "misteron" e "não existon".
primeiro s ance spara trais que einven olhavam ma ravil hados o céu tavam stó e rias para explicar o que viam. 149
CAPÍTULO 6
Tentando alcançar as ESTRELAS
É impossí velsaber quan do os seres hum anos olharam pela primeira vez para as estrelas, quere ndo entendê-las. A lguns ficavam motivados aover constelações - no padr ão da s 4000 estrelas aproxi madam ente, visí veis a olho nu, e este deve ter sido um pequeno pas so para ve inntar est órias queacom panh assemessa s imagen s. Algumas dessa s histórias se tornarambase a das cre nças religi osas e tentaram expli car o inex pli cável -a origem domundo,a razão paras a estações, o movimento das estrelas e planetas pelo . Outr céu as pessoa s, ao que par ece,se motivarama procurar ex plicações racionais. Elas obser vavam , conta vam, me diame eventual mente fazi am previ sões.Sem dúvida, testa ram e apri morar am su as previ sõesà medidaque ao longo do tempo os problemas foram ansferid os tr para seusprimeiros modelos.ientistas. Esse astrônom os fo ram os c s primeiros Eles nã o entr avam em confl ito com as tradiç ões reli giosas de usas cultur as, mas trabal havam de mãos dadas com las,eprevendo o movimento de corpos celest es par a produz ir calendá rioscom aplicações relig iosas e também prát icas.
A via Láctea = nosso lar no universo, mas apenas uma das centenas de bilhões de galáxias.
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
investi gadores de scobri ram alinh amentos muitomais exa tos com dif erentes mov imen tos celestes,clusi inve a Lua e os planetas , e sug eriram que Sto nehenge representa o resul tado de dé cada s ou me smo século s de observaçã o astro nômica.em Giza no Egito As Grandes Pirâmides são alin hada s commais exatidão. Concluí das em2680 .C., a todos os quatro ladosdas três pirâm ides seg ue m a ori entaçã o norteExistem 3.000 pedras pré-históricas em Carnac, -sul e lesteoeste dentro de uma pequ ena na França. fração deum grau. As posições da s pirâmi des podem espelh ar a s estrel as cent rais nas Estrelas e pedras ões d e Orion, com outras pi râmi Algumas das estruturas humanas mais anti constelaç de s c orrespondendo ssiv po elmente out a ras gas podem most rar evi dência de observa ção nden cuidado sa do mov imentoda Lua, estrelasestrela e s em Orion e o Nilo correspo planetaspelo céu. As 000 3. pedra s de Cardo àVia Láctea . O meiron retra mia dopri Egito A tigotoé corre o te to nac, na Fran ça, datam decerca de4500-to da astrono da tumba e d S enenmut, arqui tet o chefe e 3300 a.C., e podem ter tidosignificado mo durante o reinado da Rainha astronômico. O círcul o de pedras em Sto astrôno Hatchpsut (c.14 73 -14 58 a .C. ) . Vária s cons nehengeno sul daInglaterra, erigido 3000truçõ es erguidas pelos maias América na do 220 a.C. , pode ter ser vido como observa Sul se ali n ham ao ag lomera d o de e strelas tório celeste: o Sol no me io do verã o nasc e e ela da aproximada mente emalinhamentocom o Plêiades eà Era Draconis (uma str constelação Draco). eixocentral de Stonehenge. A preces são da Terra (aforma com o nosso planeta gira so bre se u eixo ao a f zer arotação) si gnifica queP r im ei r os obse r vado r es d a s estr el as Stonehenge teri a se alinhado co m menos Não istro contemporâne os que suste nexistem tem m u reg uso ous correlaçã o astronô mi exatidão 4000 atrás do que e, hoj ma s ainda ca para Sto neh enge e a s pir â mi d es, ma s os podeter o f rnecidodados a stronô micos úte is para serem plicado a s à agricu ltura e a cul tos espirituais. O utros
Stonehenge, em Salisbury, Inglaterra, pode ter tido usos astronômicos em tempos pré-históricos.
152
ESTRELAS E PEDRAS
As Grandes Pirâmides em Giza, Egito, parecem estar alinhadas com as estrelas e com os pontos de orientação da bússola.
primeiro s astrônomos queixara dem regiscativos naTerra. Do século XVI a.C. até o tros datampro a ximadame nte do me smo pefinal do sé culo XIX d.C., quase toda s as di ríodo. Os as trôno mos chinese s começaram nastias esigna d vam autori dades pa ra obser a observar océu usando observató rios esvar e registrar acontecimentos e alterações pecialmente construído s por vol ta de2300 astronômicos deixando um gistro re inesti a.C. O prime iro relato de um cometafoi mável para oshistoriadores destro a nomia regist rado em 2296 a.C., de um a chu va deda atualidade. meteoro s em2133 a.C.e de um ecli pse sol ar Os babil ônios ocup aram a área em 1600 em 2136 a.C. Aastronomia chin esaservi u àa.C., aprox imada mente. Se us astrôno mos ti astro logia, eos admirado res d o céupreci sa nham poi a o estatal para atividade s como vam prever eclipses e outros fenômenos ce elabo rar ca lendários e fazer pr evisões astro lestes a fim de escolher m omentos pro pícios lógicas.Eles compi laramcatálogos de estre rama manter reg istros, a longo parareali zar eventos rea is e batalhas, alémlas ecomeça de prever oaturo f sucesso e asaúde dom i prazo,de movimento s planetare s e de eclip perador.O fracasso poderia ser fatalsa -be-seses solares elunares que os judavam a fazer a de pelomenos doi s astrônomos deca pitadosprevi sões pro a ximadas d e eclipses . Eles pa em 2300 a.C. por fazerem previ sões in exarecem ter descob erto o cl cio de 23 me ses tas deum eclipse solar. U ma tumba em umdos c elipses lunare s. Por volta de 800 a.C., Xishuipo , na província deHenan, da tandoeles ifxara m a loca lizaçã o de Vénus , Júpiter de cerca de 6000 trás, a co ntinha conchaseeMarte em re laçãoàs estrelas e regist raram ossos orma f ndo as imag ens detrês co nste o movimento retró grado (paratrás ) dospla lações da astron omia chin esa, o Dragão denetas. Azure, o Tigre Branco e o Dipper do Nor Os babilô nios desenvol vera m um ca te. Ossos do oráculo de 3.200 nos a com os lendário de 1 2 mese s com obônus ímpar, o adicionado coasional nomes de str e elas rel acionadas às28 ca sas décimo terceiro smê lunares fo ram prese rvado s. Os chineses mente para nter ma aregulari dade dosanos. s partes da Babil ônia, também acre ditavam u qe osalinh amentos nocéu in Em alguma dicavam ou previamacontecimentos signi fi havia uma semana desete dias.Os babi lô-
153
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
Ter um sistema para me dir âng ulos per mitiu aos strônomos a babilô nios medir o movimento re trógrado dos planeta s. Com base emregistros manti dos em placa s de ar gila ao longo deséculos, eles puderampre ver as posições planetárias e os movimentos retró grados, mes mo se m entender como ou por queos movimentos aconteciam. Eles não tentara m dar expli cações cientí ficas nem modelo s, umavez que sua s previ sões atendiam ape nasa finalidades práticas e re ligiosas. Da observação ao pensamento Enqua nto os astrôno mos chineses , sumé rios nios tambémdividiram o círcul o em 360 m rigoro sos no regist ro das graus, e a partir deste eles deriv aram uma e babilônios era es trelas e acont e cime n to s, os gre gos ant i divisão do ia d em 12 “kaspu” , durante o gos adotaram uma b a ordag em ma is teórica qual o So l vari ava 30 raus g do u. cé Eles usa e cientí fica, enta t n do expli ca r e mod elar o vam o arco de um grau como unidade para comport amento dosorpo c s celestes. mediro espa ço angular. Por volta de 00 5 a.C., Pitágoras sug eriu que o £) mundo é um globo, em vez % de se r acha tado , e no século X & V a.C., Anaxágoras propôs $ que o o Sl é umarocha mui r;. to quent e, e que aLua éum O c\ > peda ço da Terra. E m 270 X -rt a.C. , Aristarco disse que a * Terragira m e tornodo Sol. rv * íc ■- lí?.;. Anteriormente, as pessoas 9*4 9 acre ditavam que aTerra fosse o centroem torno do qual a Lua, o Sol, os pla netas e estrel as g iravam. v ; ; a p» 1 Aristarco fez o primeiro ^ A, '** áâ % £ a
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O mapa estelar chinês Dunbuang, criado em 700 a.C.
DA OBSERVAÇÃO AO PENSAMENTO
este o a cso, esse racio cínio sterrestre, em um único segundo (ou seja, no tempo em que faria sentido. Mastais di tâncias ra e m inco n cebív eis alguém andando rapidamente é capaz de dar um único pasnaquel a época eo modelode so) pode perfazer um quarto de milha inglesa (sendo 60 miAristarco foi rejeitado. Lelhas equivalentes a um grau de um grande círculo na Terra), varia 1800 anos até que este ou que o equador doprimum mobile naquele mesmo tempo fosseaceito. deveria atravessar 5.000 milhas com celeridade inefável ... "Então, se parecesse mais provável que o equador do globo
mais rápido que as asas de ra ios, eles mantêm a verdad e que assombra especialmente o movimento da Terra."
H ip a r co - o maior
Edward Wright, na introdução ao De magnete de William Gilbert (1600), explicando por que é mais provável que a Terra gire em torno de seu próprio eixo que o Sol gire em volta da Terra a cada 24 horas.
ASTRÔNOMO DA ANTIGUIDADE?
O astrônomo gre go Hiparco nasce u em Nicea por volta de 190 a.C., mas passou a maior parte de sua vida em cálcul o do tama nho do Sole daLua e desua Rliodes. Foi cham ado o ma ior astrôno mo distância da Terra, e conclui u que uma vezdaAntiguidade, embora uitompouco de se u que o Solé muitomaior que aTerra , é rela-trabalhoenha t sido pres ervado.Ele émuito tivamente impro vável que o Sol girasseem conhecido por nós por me io de A lmagest, de volta daTerra, tendo sua órbita subordinada a ela. Trabalhando parti a r do tem po quelevava para um eclipse lunar acontecer, Aristarco calcul ou a distância da Terraaté aLua em cerca de 6 0 vezes o raioda Terra,o que está deacordocom os da dos moderno s. Ele decid iu que o ol S está 19 vezes ma is longe da Terra que a Lua, e tem cerca de ve10 zes o diâmetro da Terra,embo ra esses dados nã o fosse m tão exa tos. Infelizmente,as conclusõ es deAristarconão foram ce a itas por seus cont emporâne os. Um argumento era quese aTerrase move em rno to do Sol , às vezes el e estaria muit o além da s estrelas e seu tam anho pare ciavariar. e Dfato, evidentemente,a Terraestá tão onge l da s estrelas que adistânci a quea Terraviaja éminúscul a em compara ção e nã o faz diferençaao tamanho apare nte das estrelas, mas senão o f sse Hiparco com a esfera armilar inventada por ele.
15 5
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
Quadro mostrando o universo de Ptolomeu, com a Terra no centro, 1660 1 -
.
produçã o do primeiro catálogo detalhado da s estre las.O traba lho chinêsTheGan andShi Book of the Stars,esc rito dura nte o sé culo V I a.C., regist ra as posiçõ es de 21 1 estre las. Ma s Hiparco n otou as posições de850 estrelas sív vieis a olho nu, clas sificandoas em seis
Ptolomeu. E le sebaseou no traba lho de as trônomos babilô nios, forma ndo umaponte Essesistegrupos de acordo lho. ma é usa do ain dacom hoje. esEulebri lev an entre oscadê a micos daBabilônia e da Grétou uma list a detodos os e clipses que ocor cia dedi cado s a essaárea , e aparentement e reram nos 800 anos anteri ores enotou uma usou algun s de eus s métod os, bem como os nova estrela na constelação de Escorpi ão dados col etados por ele s. em 13 4 a.C. Ele também recebeu os crédi Hiparcofoi um gra nde observa dor dostos por inv enta r a trigono metria e lvez ta o céus e com rfequênci a credit a-se a ele aastrolábio an plisférico. Ptolomeu diss e que Hiparco explicou o movi mento circul ar do Sol e da Lua, ma s ele nã o tinha um modelo das trajetó rias dos planetas, embora gaor nizasse os dos da so bre eles mo e strasseque eles nã o estavam de acordocom as teorias contemporâne as. Seu feito mais famoso oi f discut ir como soponto s do solstício e do equinócio se movem lentamente do Leste parao Oeste u qando definidos com ba se em estrelasxa fis - conhecidasomo c aprece ssão dos e quinócio s. Hiparco oi f o primeiro a determinar a dura ção deum ano com exa tidão,forma ndo 365 dias, 5horas e55 minutos. Ele noto u queas estaçõesnh tiam duraçõesferentes di e calcu lou a duraçã o do mê s com grande exa tidão,faltandoapenasum se gundo.
156
DA OBSERVAÇÃO AO PENSAMENTO
A S ESF ERA S D E PT OLOMEU
Deve ter ido s o modeloeh liocêntri co de Arista rco que cheg ou do mundo antigo paranós, mas seu lugar oi f toma do por outrodescrito por Ptolomeu por volta de 140 d.C. Este ã no se ori ginou com Ptolomeu - ele esta va aprese ntandoo con senso daopinião co ntempo rânea em se uMathematical Compilation (agoraonhe c cido comoA lmagest, após uma corrupt ela d e seu título em árabe). De acordo co m
UM MODELO MENOS PLAUSÍVEL
Na mitologia hindu, diz-se que o mundo é sustentado no espaço por quatro elefantes, que, por sua vez, estão de pé sobre o casco de uma tartaruga. Não há obser vação astronômica conhecida que apoie esse modelo. Terry Pratchett tomou emprestado a lenda hindu em seu romance Discworld. A resposta à pergunta óbvia do que representa a tartaruga tem sido dada com frequên cia como "a tartaruga é o retorno ao infinito", uma res posta que tem sido atribuída a muitas fontes.
Ptolomeu, a Terra situase no centrode um grupo de esferas concêntri cas. Nessa s esferas, a Lua, o Sol,os pla netas eas estrel as fixasgiram em volta daTerra . Os gregos acreditavam e qu o círculo fosseuma fo rma perfeita, e Essepadrã o de órbitas circul ares edslocada s assim como o céu era o âmbit o da perfeição, explicava, de modo aproxima do, a traj etó ria as órbi tas de vem ser circulares. ntudo Co , dos pla neta s, que sà ve isso não expli cava o m ovimentoobser vado ligeiramente errante dos pl anetas. zes pa recia vo ltar pa ra trá s (seguir umara t Parafazer omodelofuncion ar, asórbitasjetória retrógada). As estrelas fixas podiam xplicada s mais facilmente elas sees circulares os d planetastinham de se distan ser e a ciar daTerra. Estava clar o de Vénus eMer palhavam rpoumaesferadistante que girav em volta da Terr a , fornece ndo um pano de cúrio estava m em órbit a em volta do Sol, ra todoo resto. logo, no modelo Ptolomeu, de elesegsuiamfundo pa Com observações da cavez mais exatas umatrajetória circular em volta do Sol,que , ficou claro fazia uma trajetória circul ar em tornoda do movimento dosplanetas que o modelo de Ptolomeu nã o explicava Terra. Marte,Júpiter e Saturno - os outros s s trajetó rias. Um núme planeta s visív eis a olho nu tam - bém giraplenamente ua ro cada vez maio r de peque nos ace rtos foi vam em torno de algo, mas que não era o feito p ara ajustar omodelo e ma ntê-lo de Sol. Pto lome u identif icou pontos zios va qu e ac ordo com s a observa ções, ma s eventual formavam o foco das órbi tas de sses plane is de 1.000nos a el e teve de tas, e sse e s ponto s vazios gir avam m e volta mente, após ma ser aba ndo nado. da Terra eg s uindo uma trajetória circular. 15 7
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
P
BRAHMAGUPTA (598-668 d.C.) O matemático hindu Brahmagupta nas ceu na cidade de Bhinmal em Rajasthan, Noroeste da índia. Foi chefe do observa tório astronômico em Ujjaun, e escreveu quatro textos sobre matemática e astro nomia, um dos quais contém o primei ro relato do número zero. Brahmagupta propôs que a Terra gira em torno de seu eixo; demonstrou que a Lua não está mais longe da Terra que o Sol; e afirmou que a Terra é redonda, e não achatada. Para combater as críticas de que se a Terra fosse um globo, tudo cairia, ele descre veu algo próximo da gravidade (veja a ci tação abaixo). Deu métodos para calcu lar a posição de corpos celestes e prever eclipses. Foi nos trabalhos de Brahma gupta que os astrônomos árabes toma ram conhecimento da astronomia hin du. Kankah, que veio de Ujjain em 770 d.C. a convite do califa al-Mansur, usou o Brahmasphutasiddhanta de Brahmagupta para explicar a astronomia.
a r a
dentro
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fora
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e scur
i dã o
Com o declínio do mundo helénico , a as tronomia entrou em seu próprio período de eclipse. ão N há rgandes as trônomos ro manos, e pouco progre sso o f i feito antes do apareciment o da ciência ára be e afundaçã o da escola de astro nomia de Baghdad em 3 81 d.C. por al-Ma’mun. Enquanto nadastava e contecendo a na Europa eNorte da África, os strôno a mos hindus es tavam fazendoe gravandoob servações que ais m tarde ali mentariam a astronomia árabe. O primeiro exto t hin du sobreas estrelas, oVedangaJyotisa, data em torno de 1200 a.C., mas é um trabalho astrológico, não astronômico, eseus usos eram principalme nte e r ligio sos. O Aryabhatiya , de 476-550 d.C., foi o primeiro texto verdade iramente stron a ômico a cir cular naíndia. Teveumainfluência nos es critores árabes posterio res eé o primeiro a estabelecer o início do dia à meia-noite. Afirma que o mundo gira sobre seu eixo, e é por issoque sa estrelasarece p m se m over pelocéu eque aLua é il ummada oa ser re fletida pe la luzdo Sol.
"Todas as coisas pesadas são atraídas para o centro da Terra... A Terra é a mes ma em todos os lados; todas as pessoas na Terra ficam de pé e todas as coisas pesadas caem na Terra pela lei da natu reza, pois é da natureza da Terra atrair e manter as coisas, como é da natureza da água fluir, do fogo queimar, e do vento colocar em movimento... A Terra é a úni ca coisa que fica abaixo, e as sementes sempre caem nela, seja qual for a direção de onde você atirá-las, e elas nunca so bem, da terra para cima." Brahmagupta, Brahmasphutassiddhanta, 628 d.C.
158
A
st r on om
i a árabe
Os astrônomos árabes foram os primeiros a aplicar a matem ática co nsistenteme nte ao movimentodas estrel as e planetas.Os astrônomos islâmicos foram impelidos pela necessidade edterum calendário confiável, pois precisavamidentificar com exatidão os horário s paraorações oa ama nhecer,ao meio-dia, à tarde , ao pôr do os l e à noite, e serem capa zes de determ inar a dir eção de sua cidade sagra da Meca de qualq uer uga l r. Eles olhavam céu parajudar a nes sas tarefas, seg uindopara asorecomendações do Co rão parausaremsaestrel as para na vegação: “Foi Ele quemorganizou as estrelas para
DA OBSERVAÇÃO AO PENSAMENTO
Mapa celeste árabe para o hemisfério norte, 1275.
que os gui em na es curidão da O terra e do mar”. Corão também nco e raja va a confiança em dados empíri cos e as evi dênci as dos sentidos, enquanto os pensadores gre gos colocavam a mis ênfase na razão. Ainjunção do Corão de obse rvar,
de Maomé,ele de sencoraj ou os obse rvadores de tira rem o cnclusões sobre Deus dizendo: “U m eclip se é um fenô me no da naturelação reza e não tem com o nasci men to ou a morte de um se r humano ”. Isso diferenciou a astron omia ráabe das tradiçõesindu h e chinesa, ambas as quais colocavam aastro nomia aserviçoda astro lo
racio caprox inar ima e cont mplar levou a fico. gia-825 e ad previ o do ma futuro. Desde 700 d.C.,sãaproxi damente, uma ção edo m étodo cientí a nomos ára bes concen O Islã, em geral, se opõe ao uso da asa maioria dos strô lar etraduzi r tra balho s as trologia para fins deprevisão. Quando umtrou-se em assimi os, hindus eer psas préeclipse ocorreu dura nte a morte do filho tronômicos dos greg -islâmicosSassanids ( ). Seu própri o esfo rço começoupro a ximada mente ua q ndo o calif a al-Ma’mun estabeleceu Casa a da Sabedoria em Baghdad.A chega da do pa pel da China ao Iraque dur ante o sé culo VIII, muito antes de chegarà Europa, tornou extremame nte fácil coletar e disseminar conhecimento , e de 8 25 d. C. até o saque de Baghdad pelo s mongóis em 125 8, a Casa da Sabedoria of i o centro intelectual do mundo. O primeiro trabalho srcinal muçulma no deastronomia oi f oZij al-Sindh, escrito por M uhamm ed ibn M usa al-K hwarizimi (c.780-c.850) em 830 d.C. C onsist e de tabe las pa ra osmovimento s do Sol,da Lua eos cinco pla neta s conhec idos. A l-Khwarizimi é lembra do basicamente como um matemá A obrigação de orar na hora certa levou os árabes ao desenvolvimento do calendário e, portanto, da astronomia.
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
A nebulosa do Caranguejo foi criada por um evento da supernova testemunhada pelos astrônomos em 1054.
tico a( forma latin izada de seu nome , Algori tmi, nos de u o term o “algo ritmo”), e os avanços árabes em matemát ica certame nte auxiliaram o estudo dastro a nomia. Ele tam bém aprimoro u o relógio solar einven tou o quadrante, usa do paramedir ângulo s. Perto de825-835 d.C, Habash al-Hasib alThe -Marwazi produziu centro do sist ema celeste eque oinfinito era Book of Bodies and Distances, em que aper impossíve l. Entreta nto, Ja’far Muham mad feiçoou as estimativ as de algum as distâncias ibn Musa ibn Shakir su ge riu, no séc u lo IX astronômicas . Ele deuo diâme tro da Lua d.C., que os corpos celestes bservam o as como 3.037 kmna ( verdade é 3.470 km) e me sma s lei s físi c a s que op era m na T erra (a o suadistânci a daTerra como 346. 344 km (é contrárioda crençados a ntigos),e no sécu lo 384.402 km).Em 964, o astrôno mo persa XI, Ibn alHaytha m fez a primeira nta te tiv a Abd al-Rahman al-Suíi (903-986) registrou observaçõ eses,e desenhos estrel as, dando demia. aplicar m étodo astro E le o usou para a texperimental o especial à para testar sua s posiçõ mag nitudes, das bri lho e cor. Se u no v ndo a livro inclui as primeiras des crições figura e s como aLua refletia a luz do Sol, aria mon tage m de se u equip ame nt o e g ravando da galáxia Andrômeda . Em 100 6, o satrô dos cé us nomo egípcio Ali ibn Ridwa n (988 -1061) os efeitos. Ele sugeriu que o iome descre veu a su pernova de ma ior bril ho re é menos denso que o arrefeutou a visão de gistradana história, dizendoqueerade dua s Aristóteles de que a Via Láctea é um fenô era superior.oAmedi r sua a três vezes maio r que Vénus e commumeno da atmosf laxe, ele deduzi u que la e es tá muito lon quarto do bril ho da Lua. Ela ta mbém foi para ge da Terra . Fo i alB iruni qu e descobriu,no desc rita por astrôno mos naChina, Iraque, que aVia Láctea éformada Japão, Suíça e talvez pelo povo indígena na mesmo século, por estrelas. le Etambé m descr eveu agravi América do Norte. to sa coi saspara Os avanços que osstrô anomos ára bes dade comoa “atração de das o centr o da Terra” , e disse que a gravidade podiam fazer era m gra vemente mitados li e dentro dos corpo s celestes da es esfepor suaconvicçãode que aTerra stava e noexist 160
DA OBSERVAÇÃO AO PENSAMENTO
PRIMEIRAS FERRAMENTAS DO OFÍCIO
As ferramentas astronômicas mais antigas bio representa as posições dos planetas e es que conhecemos são placas de argila da Ba trelas, com base na suposição de que a Terra bilônia mostrando três círculos concêntricos divididos em 12 seções. Cada um desses 36 campos mostra os nomes de constelações e números simples, que podem representar os meses do calendário babilónico. Um astrolá
está no centro do universo. Os astrolábios provavelmente foram desenvolvidos antes do século I d .C , embora o primeiro instru mento preservado seja árabe e date de 9278 d.C. A tradição islâmica explica as srcens do astrolábio: Ptolomeu estava montado em um burro enquanto olhava para seu globo celeste. Ele derrubou o globo e o burro pi sou nele, achatando-o e dando, assim, a ideia para o astrolábio a Ptolomeu. Uma esfera armilar é um equiva lente tridimensional de um astrolábio, representando os planetas e estrelas em uma série de anéis concêntricos com a Terra no centro. Um quadrante é usado para me dir a elevação de um corpo acima do horizonte. O primeiro quadrante regis trado é mencionado por Ptolomeu por volta de 150 d.C. Os astrônomos islâmicos construíram grandes quadrantes, mas o mais famoso foi aquele usado por Tycho Brahe (1546-1601) em seu ob servatório em Uraniborg, na ilha dinamarquesa de Hven.
Antigas ferramentas astronômicas (no sentido horário, de cima): astrolábio, esfera armilar, quadrante.
16 1
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
ras celesti ais a ( inda traba lhando com o mo çoam entos em instrume ntos astronômicos delo ptolomaico do universo). Al-Haytham e avanços nos lcul cáos matemático s. Estes propô s que aTerra gira em volta de seupreparara m terreno paraos astrônomos eu eriam o eixo, uma ideia quefoi colocada anterio r ropeus daRenascençaque reescrev mente pelo hindu Brahmagupta. Al-Biruni livro dos cé us. não viu problemas ma temá ticos na rotação daTerraquando comentou sobreos escrit os A GRAND E EST RELA C ONVIDADA de Brahmagupt a em 103 0. Por 23 dias acomeçarem julho de 105 4, Como acontece com outros pectos as uma estre la tãobrilhante que podia ser vista da ciênci a islâmica, a investi gação rigoro sa à luz do diabrilhou no céu . Os astrônomos em astro nomia era de sencor ajadano Islã, sechineses referiamse aela com o uma “estr e consideradacomo umatentativa de conhe la convidada ” na c onstelaçã o de Taurus, er cera mente de eus. D Talvez acontribui çãogistrando queseubrilho amareloeraquatro mais significativa dos acadê micos árabes vezes mais brilhante que Vénus. Ela perma dos séculos VIII ao XII tenhasido p aerfeineceuvisível durant e 653 dias.
OS MAIAS, DE OLHO CLÍNICO O Dresden Codex é um texto maia produzido na América do Sul no século XI ou XII. Registra com exatidão surpreendente
observações
provavelmente feitas 300 ou 400 anos antes, da Lua e de Vénus. Vénus era o corpo celeste mais importante para os maias depois do Sol. Os maias também pareciam saber da existência da nebulosa difusa no coração da constelação de Orion: ela era descrita em estórias tradicionais e representada com o uso de fuligem em locais onde se faziam fogueiras. São a única civilização conhecida por ter descoberto
essa
caracterís-
tica de Orion sem o uso de telescópios.
162
A TERRA SE MOVE - NOVAMENTE
O poetajaponês adie S Fujiwara escreveu sobre a estre la, e ela foi registrada m epo tes de cerâ mica pelos artist as nativos america nos Anasa zi e
"Deus, ao criar o mundo, moveu cada um dos globos celes tiais como quisera,e para movê-los imprimi u neles ímpetos sem que precisasse movê-los mais... E aqueles ímpetos que ele imprimiu nos corpos celestiais não diminuíram nem fo ram afetados depois, porque não havia tendência dos cor
Mimbres . A “estre la conv ida pos celestiais para outros movimentos. Nem havia resistên da” eraa supernov a quecriou cia que fosse destrutiva ou repressiva daquele ímpeto." a nebulo sa do Caranguejo . Jean Buridan, filósofo francês do século XIV. Depois do desa pare cimento da nova estrel a do cé u notur heresia e erou g pro blema s de imediato . no, elanão foi vista nov amen Houve problem as com o mode l o de Ptote por qua se 70 0 anos, quandoo médicoe ais signif icati vo dos q uais era astrônomong ilês John Bevis 1 ( 695-1771) lomeu, o m que a dist â ncia exi gida da Terra até o oco f desco briu a nebul osa e m 1731 usando mu da órbita daLua eratão grande queLua a telescópio. deveria estar bemis ma pertoda Terra em A Ter ra s e move -
novam ente
algu nesnte mome ntopa s rque em outros -de fato, suf ici pa ra ecer notavelment e ma ior.o Quase 2.000anos de pois de Aristarcoter Esse problema, e outras obser vações que sugeridopela primei ra vez que Terra a es lançamdúvida s ao modelo de Ptolomeu, oi f move emvolta do Sol, a ideia reapa receu. reveladoem 1496 pelo matemá tico e satrô No mundo cri stão,esta era umaproposição nomo laemã o Johanne s Miller (1436 -1476), perigosa, po is aIgreja ensino u queo céu ra e conhecido por eusnome latini zado Regioperfeito e imutável, que o homemerao pi mantus.O homem queousou ques tionar o náculoda criação e estava modelo ptoloma ico foi Co pérnico - Mikono centrodo plano de lay Kopernik-, um astrônomo pol onês qu e Deus. Como, entã o, não sepreocupav a com observações, mas a Terra pod eria ser um lugar subse r decid que seria uma urno ção do mais da seiu a Terra ir gasse m esolto Sol ,acert e a não viente, movendo-se vice-versa. Copérnico questionava particu em volta do Sol? A larment e os e piciclos, ou pe quenas órbitas ideia era uma chama das “l açadas”, que os planetassa preci
Copérnico
vam seguir no modelo ptolomaico para ex plicar e s us movimentos bse o rvad os, e bus cou um sist ema em que houvesse m uúnic o centrofixo do un iverso. EmboraCopérnicoconcluísseeus racio cínio sobreo universo ce ntrado noSol em torno de 15 10, ele fo i cautelo so e comuni cou sso i apenas a lgumas a pe ssoas antes de publicar seu traba lho fundam ental DeRevolutionibusOrbium Coelestium(SobreRevolução
163
TENTANDO ALCAN ÇAR AS ESTRELA S
r que sa esferas dePtodasEsfe ras Celeste )s, em 15 43. O impressor, Emboramelho odelode Copérni co ainda pre a Rheticus,estava pre parando o livro de Co- lomeu, o m pérnicoquando teve de sa ir de Nuremberg . senta va alguns prob lemas. Co nsiderava que f stavam e em uma esf era in O trabalhofoi pass ado paraum lutera no, as estrelasixas Andreas Osiander, que acrescentou um pre visível além do planeta mais distante. Para fácio afi rmando que Copérni co não que ria que sa estrelas reces pa sem imó veis, preci sa dizer que o S ol era literahnente o centro dovam estar muito distantes. Hoje, este con universo, ele esta va apre sentandoapenas ceito não nos incomoda , mas no séc ulo XVI um modelomatem áticoque ajudava aexpli ele que stionou imediatamenter po queDeus car obse rvações . O pref ácio pretendi a evitar desperdiçarianto ta espaço vazioentre o pl a críticas àIgreja, ma s de fato a Igreja Cató neta ma is distante eas estrelasixas. f O utro lica pre stou pouca tençã a o ao livro e só osproblema era que se a Terra es movia, por luteranos fizeram objeçã o a ele. Copérnicoqueos oce anos nã o inundavam os con tinen morreuno ano em u qe o livro foi publ icates eas construçõeso nã tremiam, desmo ro do e pôde ver nenhum exe mplar. Seu ro livnando? No entanto, ao rário cont do odelo m foi amplame nte ignorado , e a impressã o de de Ptolomeu, o m odelo de Copérnico expli 400 cópi as nem me smo o f i vend ida, apesa r cava os movimento s observados dos e plan de ter sidoconsi dera do, desdeentão, oexto t tas e sm recorrer aartif ícios complexos. queiniciou a astronomia m oderna e ajudou A explicação de Copérnico colocou os a desenca dear a revoluçãocientí fica. planos em dois rgupos,comMercúri o e Vê-
O modelo do sistema
solar de Copérnico, com os planetas girando na órbita do Sol.
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A TERRA SE MOVE - NOVAMENTE
O UNIVERSO EXPANDINDO, A TERRA ENCOLHENDO
Todos nós lutamos para nos colocar no cen tro das coisas. A inquietação que resultou quando se descobriu que a Terra não esta va no centro do sistema solar foi imensa. No entanto, os astrônomos supunham que o sistema solar fosse importante no universo. Astrônomos que viveram bem mais tarde, que reconheceram que a Via Láctea era uma galáxia, supuseram que o Sol estava próxi mo de seu centro, e que a Via Láctea estava no centro do universo - de fato, ela era o universo. A descoberta de que a Via Láctea era uma galáxia que contém bilhões de es trelas, que o universo contém bilhões de ga láxias, que o sistema solar não é central na galáxia da Via Láctea, nem a Via Láctea está no centro do universo deu outros golpes à noção do "eu" da humanidade. Somos, sem dúvida, seres insignificantes em um ponto insignificante de um planeta, em um sistema solar comum que faz parte de uma galáxia comum - nada de especial.
nus ma is pertodo Solque d a Terra , e Mar-dueloe usava uma prót ese deouro e prata. te,Júpiter e S aturno ma is longe. (Os outrosDesde ce do ficou o bcecado pela s estrelas, planetas ram e desconheci dos na época.) e percebeu que observações sist con entes, Copérnicotambém calculo u quanto tempoexatas, devem ormar f abase de qualquer cadaplaneta levava paracompletar aórbita conjunto de previsões . Em 1569, ele ez f um em volta do Sol, e as distânci as relati vas dosquadra nte gigantesco,com um ra io aprox iplanetastéa o S ol. Esse s cálculo s correspo n- mado de 6 m. O aro eracalibradoem minudiam aseuagrupamento relati vo à órbita datos e permit ia mediçõ es be m exata s. Ele o Terra, fornec endo evi dências fo rtes em fa- usou até que foi destruí do em umatempesvor de seu modelo. tade em 157 4. Em 1572, Tycho o bservou o quepareT u d o muda cia se r uma nova strel e a muito brilhante na const elaç ão de Ca ssiopeia.Como sesupunha Tycho Brahe foi uma figura brilhante, um u fossefixo para toda aeterni dade, arist ocrata seque strado quando bebê que que o cé usa d e certa co nsternação, mais tard e perdeu rte pa do ariz n em umesta erauma ca
165
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
e ele regist rou sua posição durante me ses paradeterminar se era um co meta que es moveria em
TYCHONIS
Tratado astronômico de Tycho Brahe, mostrando seu modelo do sistema solar.
B R A H E DA N I , ASTRON OMIC I NSTAV-
relação às estrelas fixas . Ele a obser vou durante 18 meses, nesse pe ríodo ela deixo u de ser a m is brilhante queVénus para separec er com uma setrela co mum, mas não mudou sua posição. ua Qndo ele publicou seu relato
RA T. -r. P R O G IM N A S M A T A ,
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DE RESTITVTIONE MOITVH Solis ScLunar^tcllarumíjuciiicrrant ium tiaftat.
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em De Nova Stella, cunhou um novo termoaparaa astro nomia - nova . Tycho es tudou se us dados Anos mais tarde, em 1577, Tycho fez ou tra observação que mudaria a Terra,dessa para evi dênci a da pa ralaxe que seria espera vez de um cometa. Suas observações reve da se a Terra semovesseem volta do Sol. o cometa não po deria ser um fe Paralax e é a mudançavid e ente daposição laram que nôme no local, vi ajando muito pertoda Ter de uma setrela pró xima contra o fundo de ra e pro vavelmente ais m perto da Lua. Em estre las mais stantes, di quand o vista dedois pontos dif erente s. Como nã o encontrouvez disso, ele devia viajar entre os planetas. icava qu e a ideia de Pto lomeu d e nada, Tycho interpret ou sua s obser vações Isso signif como uma ne gação do modeloheliocêntri esfera s de crist al abri gando os planet as ees trelas fixas pre cisava rseaba ndonada , pois o co de Copérnico . e E ra qua se tã o re Por mais que su a abord agem fosseciencometacolidiria com las. volucionária quanto o conceito de uma nova tífica, T ychoainda cha a va queos eventos no céu pressag iavam muda nças maio res na erra T estrela. u seu livro em 1587 -1588, e pensa va que osenômenos f estes cel osse f m Tycho publico esta b elec e ndo se u próprio modelo do uni responsávei s pelas uerras g reli giosas quees tavam oco rrendo napoca. é lEe também nãoverso. Ele era um tanto híbrido, manten tica no centrodo aceit ava que Terra a esmovia. Se a Terra es do aTerraptolomaica está tavase movendo peloespa ço, ele fairma va,universo, mas tendo os outros planetas gi Sl, quegirava m e volta uma pedra derruba da deuma to rre cairi a rando na órbita do o a uma dist ância do pé torre, da porque aTerda Terra. u a necessidade de “defe ra teri a se movido, deixandoa pedra pa ra Isso descarto rentes” e “epiciclos”, nec essá rios para fazer trás. Evidenteme nte, ss i o foi refutado por o m odelo de Pto lome u funcion ar. O mais Gassendiem 164 0 (veja apágin a 84 ). 166
A TERRA SE MOVE - NOVAMENTE
importante, nontanto, e eraqueele rejeita do em 159 7, que combin ava algo de Co va a ideia de esferas de cristal e, pela primei pérni co com ideias dealguns ífsicos gre gos ra vez,os plane tas es tavamsoltos no espaço,arcanos,em umafusão biz arra. Kepler suge semapoio. riu que os eis s planetas (incluindo a Terra) ocupavamórbitas que eram definidas por 1571 - 1630 )
um conj unto de esferas aninhada s dentr o e Um poucomais jovem que Tycho, Jo hannesentre os cinco sólidos geométricos definidos g etria eucli diana. mbora E isso em Kepler foi outrostrônomo a prodígio, em pela eom o fosse partic ularmente signif icante,ele bora tenhasido orçado f atomarumaaborsi nã deu uma sugestão ma is importante:que os dagem diferente. O entusiasmo Kepler de planeta s eram dirigidos por um “vi gor” que pela astronomia foi estimulado desde crian , mas comimpactoreduzi do ça, quando suaãem o levou aum lugar latoemanava do Sol à medida que a distânci a do Solaumentava. paraver o Grande Cometa de 15 77 (o mes Esta fo i a pri m eira vez quea forçafísica foi mo quelevou T ycho arealizar se u traba lho citada sobre cometas). Kepler, no entanto, nãocomo fonte do movimento dos pla netas, se não in cluirmos a ideia de ue q eles conseguiu azer f observações astronômicas J ohannes
K epler
(
por tera vista rfaca, umavez quefoi afetaeram empurra dos por anjos. da quando ele teve tapora. ca Em vez di sso, ele p alicou cálculo s matem áticos ao studo e e m P raga Dois p o r u m : o s astrônomos das estrelas. epler K foiseminarist a, ma s Em 159 7, Tychomudouse paraPragapara seu curso emTubinge n, Alema nha, in cluiu se tornaro Astrônomompe I rial of icial do as disci plinas d e matemá tica e astron omia, Rei da Boêmiae do Santo mperador I Ro nas qua is ele se destacou.Seu tuto r, Michaelmano Rudolph (Ro dolfo) I . Foi lá, em Maestlin, ensinava oficialmente o modelo 1600, que K epler conhece u Tycho.Embora Ptolomaico , mas intro duziu aos se us alunosTycho ivess t e acum ulado umaquanti dade prediletos a astronomia de Copérnico. prodigiosa de dados, ele o nãtinha habil ida Kepler nã o tinha umarenda quelhe de em matemática pa ra usá-los. Kepler ti desse independên cia, e uma sera maneiras nha a da capa cidade m atemá tica, ma s nãoparecia tinha de ganhar dinheiro extrada fazen dos para traba lhar. Esta do horóscopos. Diferentemente de uma sasociaçã o perfeita, mas o Tycho,quelevavaa sério a liga relacio namentodeles não era ção entre acontecimentos ter fácil. Tendo visitado Tycho, restre s e ce lestes , Kepler con Kepler vol tou para acasa de sua família em Graz, siderava os horóscopos como um lixo e referia-se a seus Áustria, enquanto Tycho deveria arra njar, co m o clientes como “cabeçudos”. Apesar disso, os horóscopos Imperador Rodolfo, re curs os para o trabalho de lhe forneceramuma renda útil e o ma ntiveram em boa situação financeira. Kepler de senvolveu seu pró prio modelo do universo, publica
Tycho Brahe
167
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
Astrônomo do século XIX com telescópio ótico.
Kepler. ntes A deas negoci ações secom pletarem , Keplere outro s luteranosora fm expulsos de Graz por recusare m se con verter ao catolicismo, e acabou no tribunal de Rodolf o como re fugiado. O impera dor acabou o f rne cendo o apoiofinance iro soli citado para o posto de epler K , que n e volvia ajudarTycho acompilar novas observações dosmovimento s planetário s. Essas observa ções ormariam f a se bada s chamada s tabelas rudolf inas. y Tcho da va a Kepler da dos va liosos, teme ndo compartilhar tu do pronta ment e, mas m e 160 1 ele adoeceu eestava claro que orreri m a em breve. m E seu leit o j de morte, ele de ixou como lega do seu s dados va liosos, seusinstrument os e o projetorudolfino a Kepler. Em que stão de semanas, Kepler oi f elevado posi à ção de Matemáticodo Impériodo Sa grado Im perador Ro mano e era orespon sável pelos equipame ntos astronô micos ma is sofistica dos d a Europa- pouco ma is de um ano depois de ter cheg ado em Praga como refugiado, sem um tostão. O postode Matemáti co do Império envo lvia ser astrólo go de Rodolfo, por isso Kepler tin ha de pas sar boa parte de seu tempo em atividades que ele sabia serem inúteis e pura inv en ção. Mesmoassim, ara p o resto de sua vida Kepler pôde rabalh t ar com se us cálculo s, que o levaram a desc obertas importantes como que da caplanet a gira em torno da órbita do o Sl se um elíguindo ptica com oa Soltrajetó no ria oco f da elipse,e que osplanetas se movem mais rapi damen-
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O INVISÍVEL TORNA-SE VISÍVEL
te quando estão ma is próximos do Sol. As descober
Telescópio acromático, meados do século XVIII (esquerda); réplica do telescópio refletor de Newton, 1672 (direita).
tas de Kepler nã o o tornaram um a sensa ção do dia paraa noite, e de fato tiveram umimpac to relati va mente pequeno. Muitas pessoas ainda não aceit avam que aTerra não está no centro do universo. Foi so mente qua ndo Isaac Newton tomou o trabalhode Kepler eexplicou, usando a gravidade, po r que as órbitas dos pl ane tas são elípticas, queo significado de sua descoberta torno u-se claro. O tumulto reli gioso, a agitação e tragé dias pe ssoais tercederam in para deter ora t balhode Kepler. Suasposa e morreu (mais tarde ele se sou ca de novo ) e então sua m ãe foi u j lgada por bruxaria, embora liberadaO invisível torna-se visível nto Tycho Brahetraba lhava se m te depoi s de pa ssarvários meses na cadeia. Enqua pio, medin do asposiçõ es das estrel as Sua terceira última e lei,quelhe ocor lescó e planetas co m bússolas quadrant e es, a reu em 16 18, descreve como o quadrado do tempoque leva um plan eta paragirar pio parti r ede 1 610,sa tinha escó qu podia uK repler - manda do um portel Galileu, pela órbi ta do Sol é proporcional a o cubo qe ele confirmas se as própri as ob de sua distância od Sol. Por exemplo,para u ões deGalileu. Para os astrôno mos, Marte está 1,52vezes ma is longe do ol S servaç o mu ndo — e o universo mudou om c a que aTerra, e seu n ao é 1,88 anos er T invenção do telescópio. De repente, a di ra: 1,522 =3,53 = 1,88 3. As tabelas runtre estrelas e planetas fi cou evi dolfinas, inalmente f publicadasem 1627, ferença e dente . Des cob rius e qu e a lguns plane tas foram sa primeiras tabelastro as nômicas as próprias luas , e a possibi lidade modernas. las E usar am os logaritmos tinham su de e las po d erem se r outro s mundos sur recém-descobertos desenvolvidos pelo matemático e astrônomo escocês John giu. A Via Lácteaesrevelou um conjunto de estrel as, e stas e se tornaram realmen te Napier 1550 ( ara que r em pregados p-1617 dete),rmi narpodiam s posiçõse a es dos incontáveis. O primeiro tele scópio astronômicooif planetas a qua lquer momento no pass ado feito por L eonard D igges (15201559) na ou no futuro. 169
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
Inglaterrano n i ício dos nos a 155 0, mas atençã o da Igreja,mas a cre nça po pular de este não ch amou a atençã o do públi co atéque ele teria sido queima do por def ender lo de Copérniconão tem funda que seu filhoThomas (1546-1595) publicou o mode seutrabalh o sobre otelescóp io em 15 71, 12mento. Ele foi condenado realmente por anos de pois damortede Leonard. homa T s acreditar que Cristofoi criado po r Deus , tinha apenas13 anos quando seupai a f leceu não sendo eleprópri o Deus (Arianismo), e e foi criado por John Dee (15 27-1609), o pelapráti ca da magia. Entret anto, o ap oio matemá tico, filósofo, alquimista astrólo e do modelo heliocêntricopor Bruno au go da corte da inha Ra Elizabeth I.Isso deumentou a hostilidade daIgreja comle, ee a Thomas a cesso à magnífica Biblioteca de por extens ão com a teoria do univ erso in Dee, onde le e leu olivro de Copérnico.Emfinito de Digge s. Apesa r desuas ideias re 1576, Thomas publi cou se u próprioraba t ligiosas malucas, Bruno teve insights bemà lho mais importante,uma ediçã o revisada frente deseu tempo como astrôno mo. Ele de Prognostication Everlasting, deseupai.Ele sugeriu ques aestrel as dist antes podi am acres cento u não só um relatodo modelo deser como o noss o Sol, poderiam ter mun Copérnicode um universo centrad o no Sol, dos própr ios e que estes po diam até ser o mas suaprópria teoria deque o univ erso lar é de seres tã o gloriosos quantoa espécie infinito. Rejeit ando aideia de estrela s fixa s humana. em uma e sfera distante, homa T s Digges propô s um espa ço infinito em que as estre las conti nuavam paraem s pre. E le nã o citou GALILEU NO ESPAÇO evidências dess a teoria, mas parec e provável que se u uso do e t lescó pio e apercepçã o de queA NASA lançou uma nave espacial cha a Via Láctea éum grupode estrelas oeva l mada Galileo em homenagem a ele em ram aessa conclusão.Umavez que iD gger 1989, a qual entrou em órbita em volta publicou em inglês,e não em latim, sua s de Júpiter em 1995. Em rota, a nave Gali ideias foram acess íveisa muito mais pess oas, leo passou pelo cinto de asteroides onde descobriu uma Lua em miniatura chamada
e aespalho populu. aridade do odelo m de Copérnico Dactyl, em órbita em volta do asteroide se Quase no me smo pe ríodo, no entanto, Ida. Em 1994, Galileo fotografou frag a Igreja C atólica começou atent a ar pa ra a mentos do cometa Shoemaker-Levy ao ideia pot encialment e here ge de um miiverso se chocar com Júpiter. Uma sonda solta centrado noSol. A fonte desua animosida na atmosfera de Júpiter registrou ven de pareceter sidoque omodeloeradefen tos em torno de 720 km/h antes de ser dido por G iordano Bruno, queimado por destruída pela atmosfera Joviana. Galileo heresi a em 160 0. Brunofoi seguido r de fez 11 órbitas, registrando dados sobre o planeta e suas luas em sua missão básica. um movimento reli gioso cham ado Elerm eA missão da nave foi estendida e ela es tismo, base ado em cre nças eg ípcias anti gas tudou ló, a lua vulcânica de Júpiter, e sua de que o ol S é um deus e deveria ser ado rado. Sua atra ção por ummodelo ehlio lua gelada Ganymede. Galileo foi des truída deliberadamente em 2003, sendo cêntricodo universo foi natural. A defesa queimada na atmosfera de Júpiter do modelo de Copérnicopor e le atraiu a 170
GALILEU, MESTRE DO UNIVERSO
O asteroide Ida com sua lua minúscula, Dactyl. Ida tem 56 quilômetros de comprimento e Dactyl tem apenas 1,6 quilômetro.
Galileu, mestre do univer so O primeiro grande usuá rio do te lesc ópio foi, semdúvida , Galileu. Ele se dedico u à astron omia em 16 04, estudando a supernov a que Keple r tinha obJovianas, embora agora existam 63 conheservado. Ele estabelea ta relati vamente estável em ceu que lae nã o se movia e, por isso,deviacidas com órbi volta do planeta, e mais luas pequenas poestar o tã distante qua nto as outras estrelas. econtradas. Galileu efz seus própri os telescópio s, quedemser n 10, Galileu ob servou as eram m uito potentes paraa época (v eja a Também em 16 s da lua). página 51). Em 1610, ele tin ha um inst ru- fases de Vénus (parecidas sà fase ou conclusiv amente qu e o planeta mentocom capacidade de umento a de 30Isso prov ar emvolta daórbita do Sole que as vezes, com o qual observou as quatro luas deve gir vem àmaneira mo co vári as partes mais brilhantes de Júpiter (agora chama - fases se de nte asfases de das de “lua s de Galileu”).A maior das lua s são iluminadaspelo Sol dura de Júpiter, agora cha mada Ganym ede, foi sua órbita. Como resu ltado, amaioria dos aparenteme nte oca l lizada pe lo astrôno mo astrôno mos tro cou suaaliança od modelo ptolomaico para o he liocêntricodura nte o chinês G an De em 364 a.C. (a olho nu). Primeiro Galileu pe nsava queelas fosse m início do século XVII. Todavia, iss o não foi tudo. G alileu tam“estrelasixas” f próxi mas a Júpiter, mas fez a éis de aturno S , embora nova observação sta e e most rou que las e sebémobservou os n f ssecapaz deidentificar o u qe eram. moviam.Quando uma desa parece u, ele per-não o a Láctea, na verdade, cebe u que lea tinha idoparatrás deJúpiter,Ele percebeu queVia o incontávele maciçode estree logo devia girar na órbit a do planeta. Es-é um conjunt u que aLua tem cratera s e montanhas, tes foramos primeiro s corposidenti ficadoslas, vi nchas solare s e distinguiuentre como girando em volta da órbita de outraobservou ma
coisa que nã o o Solou aTerra , e o impacto planetas estrelas. e leE afirmou ques aestreo sóis distantes eezf esti mativas de sua na cosmol ogia contemporâne a foi imenso. las sã a da Terra com se ba em seu brilho Até 1892, não foram encontradas mais luas distânci
171
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
relativ o. Embora le e col ocass e as estrelas mais xima prós apena s vá rias cent enas devezes adistânci a da Terra o d Sol, e aquelas visí veis ao telescó pio vários milh ares de
EPPURSI MUOVE Costuma-se dizer que Galileu, depois de renunciar à sua crença de que a Terra se move em torno do Sol, teria murmurado "eppur si muove" - "no entanto,
ela se move". A fonte mais antiga disso é de um sé vezes a distância entre a Terra e o Sol (bem aquém as d distâncias culo depois de sua morte, e é improvável que ele ti reais, evidentemente) , ess es dados vesse feito algo tão provocativo frente à Inquisição. puse ram em ridículo os argumen t stre, ma s Galileu nã o tos contra o modelo de Copérni- e do movimento erre queria poi a o públi co para sse e modelo , an co de queas estrel as podiam não estar tão sioso po r ca u sa do de s ti n o de G iordano distantes . Ele deixo u cla ro tam bém Bruno. Primeiro,a Igreja ficou queas estrelas não estãotodas __ ___ interessada eté amesm o ena uma distânc ia fixa, mas ^ espa lhadas pelo espaço. Mapa feito por Galileu de Em Sidereus Nunc ius / +»
(Mensag eiro Estre la icado em do) publ 1610, ele declarou j que os planetas sej riam discos quando vistos pelo teles\ cópio, enquanto as \ estrelas permanecem pontos deluz. Ele ob servou Netuno , mas não percebeu que est e era um
manchas solares observadas (perigosamente) com seu telescópioem 1612.
\ ..
plane ta. Ele até identif icou man chas solares, que tam bém foramvistas pe lo astrônomoalemã o Johan Fabricius1587 ( 1616) e pelo astrônomo nglês i h Tomas Elarr iot (15601621 ), e concl uiu qu e o Sol gira em torno de se u eixoa cada25 dias. As mancha s solare s viriam ater ma is signi fica do para vida a deGalileu doquemere ciam. C ruzando
espadas
co m
D eu s
As observações de Galileu forneceram am plas veidências emfavor do modelo de Copérnicode um sistema solar helio cêntrico Papa Paulo V (1552-1621). 172
GALILEU, MESTRE DO UNIVERSO
BESTSELLERDE 1610 Galileu enviou uma cópia de The Starry Messenger (O Mensageiro Estrelado) para a corte em Florença em 13 de março de 1610. Em 19 de março, a impressão de 550 cópias se esgo tou. O livro foi traduzido para muitas outras línguas imedia
Ptolomeu na formade um diálogo imag inário entre defensor es de cadasistema . Ele publi cou com permi a s são da igrej a, sob a ondi c
ção de qu e nã o defenderia as ideias de Copérnico . A censura pa pal insistiu em um pre fácio e uma decla tusiasmada com sa descobertas dealiG leu. ração final dizendo que a Ele visitou o Pa pa Pa ulo V em 16 11, e uma visão de Copérnico foi dada como hipótese e subcomi tiva depadre s jesuí tas endosso u suas avisou qu e Galileu pod ia mudar aformulaçã o descobertas de que ViaaLáctea é uma vasta da frase contantoque esu signif icadoperma coleçã o de estrelas, Saturno tem umaformaneces se o m esmo. As mudanças ue q Galileu oval estranha om c prot uberâ ncias latera is fez ao pref ácio, e o fato de o person agem do (elas nã o foramidenti ficada s como ané is), a livro chamado Simplíci o apoiar o modelode tamente, e em cinco anos estava disponível até em chinês!
Lua tem um aeVénus superfície rreg ifase us.lar, J ter Ptolomeu e serclara mente umsimplóri o, le quatro luas tem Oúpi comi têtem nã ovaram o Papa Urbano VIII a acreditar que comentou so bre as implicações da s des co Galileu estava se divertindoà custa dele e berta s. Enqua nto estava m e Romavisitandopromovendo o per Conianismo. o papa, Galileu tornouse membro deuma das primeiras socieda des científ icas do mun do, a Acade mia Ly ncean,e em umbanquete POR TRÁS DOS TEMPOS em suahomenag em, o nome “t elescóp io” foi O Diálogo e De Revolutionibus de Copér sugeridopelaprimeiravez para o novo ns i nico permaneceram no índice de livros trume nto astronômico. proibidos da Igreja Católica mesmo depois No enta nto, o bomrelacio name nto de da proibição geral de livros que ensinam o ter sido suspensa em 1758. Galil com a Igreja o dura ria. E lesol pro heliocentrismo duzi ueuum panf leto so bnã re manchas ares Em 1820, a censura da Igreja recusou uma em qu e fez suaúnica declaraçã o publicada licença para um livro que tratava o helio a favor do modelo de Copérni co. Ela atraiu centrismo como um fato estabelecido. Um a atençã o da Igreja e, quando visitou Roma apelo contra a decisão conseguiu a sua re em 16 15, o papa do mont ou uma inquisição vogação, e tanto o livro de Galileu quanto sobre cre nças copérnicas concl e uiu que las e de Copérnico foram removidos do índice eram “tolas eabsurda s... e formalmente here na publicação seguinte, em 1835. A Igreja ges”. Lo go dep ois,Galileu foi inf orma do qu e Católica acabou se desculpando por seu não devi a ter, defender nem e ensi nar cre nças tratamento a Galileu - mas somente de copérnicas, e que ele enf rentaria Inqu a isição pois do ano 2000. O papa João Paulo II se desobedece sse. E le aca tou a advert ênci a, citou o julgamento de Galileu entre outros no início. Em 1629, Galileu secre veu seu erros cometidos nos 2000 anos anteriores Dialogue of the Tivo Chief World Systems que e reconhecidos pela Igreja, embora com aprese ntava osmodelo s de Copérni co e de atraso considerável.
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TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
HALLEY COMO CATALISADOR
Quando Halley visitou Newton em Cam bridge em 1684, os dois falaram sobre uma ideia que os astrônomos experien tes já discutiam há tempos - a relação da lei do quadrado inverso com a atra ção que mantém os planetas em órbita. Halley discutiu isso com Robert Hooke e Christopher Wren em janeiro do mesmo ano. Halley perguntou a Newton qual seria a órbita de um planeta se a força entre ele e o Sol fosse recíproca ao qua drado de sua distância ao Sol. Newton respondeu que ele já tinha calculado isso e que seria uma elipse. Como resultado dessa conversa, Newton foi em frente e publicou Principia, finalmente lançando o trabalho que fizera durante anos. Este se tornou o trabalho científico mais impor tante já publicado.
Galileu foi convocado a ir a Roma para ser julga do por here sia - por “suste ntar como verdadeirafalsa a do utrina ensina da por alguns ed queo Sol é o cent ro do mundo”. Galileu fo i convencido ase con siderar culpa do para evitar a Inquisi ção e a possível rtura to . Ele concordou ter ido longe dema is ao apresentar umafesa de do Copernicanismo. Sua puniçãofoi a prisãoperpétua, que eventualmentemou to aformade prisão do miciliar de 163 4 até suamorte em1642. Durante os últi mos anos de suavida, Galileu es creveu se u maior traba lho,Discursos eDemons trações Matemáticas a R espe ito de DuasNovas Ciências. O primeiro livro-texto científico mo derno prese a ntavao mé todo cientí fico e dava expli cações ma temá ticas e fí sica s para fenô menos que nterio a rmente oram f tra tados usando-se apena s as ferra mentas da filoso fia. O livro foi levado parafora d a Itália e publi cado em Leiden , na Alemanha , em 1638. Teve g rande po pularid ade einfluênci a em toda parte , exce to na Itália. Ca talogan do os c é us
O desenvolvimento do telescópio permi tiu queos astrônomos ifzesse m ma pas m ais precisos das estrelas. Est imuladapela riv ali dade comos franceses, que tinham montado um obse rvatório nacional sob o cont role da Academia francesa, a Royal Society ofLondon pressio nou para a fundaçã o de um obser vatório na Inglaterra. O Observatório Real foi esta belecidoem Greenwich em 16 75, com John Flamste ed (1646-1719) como o primeiro strônomo A Rea l (emborao títu lo na Flamstee épocafoss “Obse dor Astronô micom co”). d elogo serva correspondeu o jovem Edmund Eíalley (165 6-1742),então um estuda nte em O xford ejá um astrôno 174
CATALOGANDO OS CÉUS
mo brilhante- ele levou um tele scópiode revelar ma is dos mistério s que ssombravam a mais de se te me tros de compr iment o comos primeiros cientistas. alileu G des cobrira ele pa ra a Universidade de Oxford. H alley as “orelhas” deSaturno, que então desapa primeiro escreveu para amstee Fl d com as receram estranhamente alguns anos mais E 165 5, Huyge ns começou tra a correções suge ridas ao catálo go de setrel as tarde. m então em uso, e logo se tornou protegibalhar comeus irmão Co nstanti jn em u m do de Flamsteed, que e stava enga jado em telescópi o aperfeiço ado queimpedia aber fazerum novo catálo go de estrelas do he ração cromá tica - orlas colori das em torno misfério norte. Halley propôs m u estudo das image ns. Então el e virou para Saturno paralelo no hemisfério sul elogo assegu seu telescó pio com capa cidade deaumentar E 165 2, ele descobriu a ma ior rou a p arovaçã o real.O pai de H alley o50 vezes. m financi ou, dando a seu filho uma mesada lua deSaturno , Titã, e quatro anos de pois que e ra trêsvezes ma is que o sa lário realviu que as “orelhas” que Galileu tinha vis to em Sa turno eram, na rea lidade, um anel: de Flamsteed. “...o planeta écercado por um anel fino e acha tado, que não o t ca emnenhumlugar, V endo cada v ez mais A medida que o poder do telescópio con e inclinado pa ra o eclíp tico”. Não estava e o anel erafeito. Primeiro, os tinuava amelhorar, os astrôno mos podi am claro do qu
RETORNO LENTO
O cometa de Newton, o Grande Cometa de 1680, foi o primeiro a ser observado com um telescópio. Ele é programado para voltar aproximadamente em 11.037. Newton usou suas medidas da trajetória do cometa para testar as leis de Kepler.
Diagrama de Newton da órbita docometa em 1680, mostrando sua trajetóriaparabólica.
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TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
O alinhamento do Sol, da Terra e de Marte deu aos astrônomos do século XVII uma oportunidade para calcular o tamanho do Sol e sua distância da Terra.
astrôno mos supuseram que ele fo sse sólido distância ent re aTerra eMarte era míni ma. ou líquido, mas em 1675 Giovanni Cass ini Como di retor od Observatóriode Paris, descob riu uma alha f no sist ema de anéis. que fora inaug urado naqueleo,anCassini Determin ar a natureza donel a o f i o tema foi capaz de e nviar um colega , Jean Richer, escolhi do pelo Adam’s Prize Essay na Uni para Caye nne, na América od Sul, parafa versidade de Cambridge em 1855. Este foi zer observações enquanto ele afzia su as pró ganho por James Cl erk M axwe ll, que de prias obse rvaçõesme Paris.Como na poca é monstrou que uma coleção de minúscul as quem reinavana França e ra Luís XIV - o partícul as sóli das em órbita é a única possi Rei Sol ,- o projeto bte o ve aprovaçã o rea l. bilidade para algo que ri se a instáv el; apena s Sabendoque 10.000 kmparavam se Pari s a distância da Terra aSaturno azia f o siste de Cayenne , Cassini usou tri agonometri a ma parecer umaasm sa cont ínua. Maxwell para ca lcular a distânci a entre Mart e ea provou estar correto em 18 95, us ando é t c Terra , e depois aplicou as leis do mo vimen nicas espec troscópi cas. to planetário de Kepler pa ra deduzir que o Sol estavaa 138 milhões dequilômetro s da Terra . Isso representa nas ape 9% a me nos Longe, muito longe que o dado ace ito atual ment e de quase 15 0 Cassinié mais famoso por seu trabalhoso bre adistância entre planetas oe tam anhomilhões de quilômetros. Mais cálculos re velaram que o Sol é 110 vezes o tamanho do S ol. Antes disso,as únicas esti mativas da da Terra . Depois da publicação de Principia distância doSol até aTerra ram e q auelas de Newto n e de sua descriç ão da ravi g dade, fornecida s por A ristar co em 280 a.C. O tra de 33 0.000 balho de Copérnicotornou possível jul gar ficou claroqueo Soltem cerca vezes a massa da Terra. os índi ces de dist âncias de da ca planeta até o Sol, mas não havia dados para calcul ar cometas em seu lugar C olocando as distâncias absolutas. Uma portunidade o perfeita aprese ntou-se em 1671, qua ndo oA amizade entre Halley e Newton deu fru f deuma explicaçã o do movi Sol, a Terra eMarte esta vam lainhado s e atos na orma 176
LONGE, MUITO LONGE
TRÂNSITO DE VÉNUS Antes de Cassini, o astrônomo inglês Jere-
o tamanho do sistema solar como então era
miah Horrocks (1618-1641) sugeriu que, ao
conhecido. A triangulação é uma maneira de
determinar com precisão o timing do trânsi
calcular a posição de algo medindo o ângulo
to de Vénus - a passagem do planeta pela
até ele a partir de dois pontos fixos, sendo a
face do Sol - a partir de diferentes locais da
distância entre eles conhecida. O método era
Terra, seria possível calcular a distância en usado tradicionalmente para medir a altura tre a Terra e o Sol. O próprio Horrocks ob de edifícios e até mesmo de montanhas. servou um trânsito de Vénus em 1639, dois Halley morreu 19 anos antes de a próxima anos antes de sua morte. O seguinte ocorre
passagem ocorrer, e por isso coube a outros
ria em 1761, e novamente em 1769. Halley
pôr essa ideia em prática. Quando a data se
tornou popular a ideia de usar a triangulação
aproximou, os astrônomos iniciaram expedi
para calcular a distância entre o Sol e a Terra, ções em volta do mundo para registrar os timings. O trânsito provou ser muito difícil de conhecida como uma unidade astronômica (UA), a qual poderia ser usada para calcular medir com exatidão e confiabilidade, mas ao colocar juntas várias medições distintas feitas em diferentes partes do globo, eles chegaram a um dado de cerca de 153 mi lhões de quilômetros, não muito distante do dado aceito atualmente de 150 milhões de quilômetros. No final do século XVIII, então, os astrônomos tinham uma ideia realista do tamanho do sistema solar. Foram estabeleci das as bases da moderna era da astronomia, uma era em que a maioria dos corpos celes tes distantes estaria em foco. Durante o trânsito de Vénus, o planeta parece uma pequena mancha escura na frente do Sol.
do parao espaço externo vame no n mento dos come tas. N ewton mostro u em dirigin consi dera do um Principia como a trajetória de um cometate - o queatualmente seria o perió dico. Sem dese jar a fzer os podia ser calculada part air de três posiçõ es cometa nã , Newton entregou observada s num perío do de dois meses, e cálculos de seu cometa ele comp ilou dados sobre32cometa s. Ele os da dos aHalley. Ele também pôs su que a trajetória fossepara bólica, aténotar que a supôs, noentant o, que oscometas guiam se uma trajetó ria pa rabólica, vi ndo para ra fo trajetória do cometaem 1607 (observada m pare cida àque la do do si stemasolar, girando tomo em do Sol e por se Kepler) era uito 177
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTR ELAS
cometade 168 0, que ele própri o vira. Mais na. Um meteo ro do tamanho de um “vagã o tarde ele descob riu que ela tam bém corres de carga ” quecaiu enquanto o cometa esta pondia àtrajetória de um come ta visto emva no céu foi algo curioso e uma atração na 1531 e concluiu que to dos os três m eraoGrécia dur ante 500anos. Oprimeiroregis mesmo obj eto, não seg uindo uma trajetória tro certo do come ta Halley é chinês, sobre parabóli ca, mas uma órbita elíp tica muisuaaparição em402 a.C.A vez seguin te em to am pla e m tornodo Sol. Halley previu oque foi visto, em 16 4 a.C., é regist rada reaparecim ento do mesmo cometa em 17 58, em um a tábua deargila naBabil ônia.Moe tendo calcul ado um pe ríodo deretorn o dedas retratando o rei armênio Tigranes,o 76 anos. Ocometa- agora conhecido como Grande, pare cem mostrar o cometaHalley istrandoseu aparecim en cometaHalley - reapare ceuno dia de Natalem sua coroa, reg de 1758 , 16 anos depoi s damorte deHalley.to em 87 d.C. Ele fez sua maior aproximação em 37 8 d.C., a uma distânci a de apenas 0 ,03 UA , O cometa H alley n a H i stór i a t se stendi e do até O come ta de Hal ley po de ter ido s reg istradoquando suacauda podeer 60 grau s pelo cé u. O cometa Hal ley é retra em 467-466 a .C. na GréciaAntiga e na Chi tado na tapeça ria Baye ux, e possiv elmente
A primeira passagem do cometa Halley a ser fotografada, 1910.
A tapeçaria Bayeux mostra o cometa Halley aparecendo em 1066, quando foi interpretado como um presságio.
178
LONGE, MUITO LONGE
dizer quea vida na Terra sobreviv eu ao encontro . "Vim com o cometa de Halley em 1835. Ele voltará no próxi O retorn o do cometa mo ano e espero ir embora com ele. Será o maior desapon em 199 4 result ou não só tamento de minha vida se eu não for embora com o cometa em fotografias tiradas ad de Halley. O todo-poderoso disse, sem dúvida: agora aqui , mas nainspeçã o mi estão as duas aberrações incalculáveis; eles vêm juntos, eles Terra nuci osa no espa ç o po r dua s devem ir juntos." sond as, Giotto e Vega. Es MarkTwain, autobiografia, 1909 tas de scobriram q ue o co Twain nasceu em 30 de novembro de 1835, exatamen a parecida te duas semanas depois de o cometa Halley fazer sua maior meta tem forma àquela de um a m endoi m, aproximação do Sol (periélio). Ele morreu em 21 de abril de tem 15km de compri mento 1910, no dia seguinte ao próximo periélio do cometa. e 8 km de lar gura e espessu ra, com umavírgula (po nto era ) de 100.000 km. A vírgul a em Adoration ofthe Magi, de Giotto, com o de luz ou atmosf a estrel a deBelém (que pro vavelment e não se formacomo monóxi do de ar cbono só lido era, po is ela apare ceu m e 12 a.C.). e o dióxido de carbonoem suasuperf ície se orma em gás (subl ime) co m os ra ios do O cometa parece a u espetacul armentetransf posto de pe em 191 0 com uma p aroximação rel ativa Sol. O cometaFlalley seria com ços, chamados deRubb le Pile, menteperto de0,15 UA. Foi fotogra fado quenos peda am como umcorpoa cada52 pela primeira vez,e sua cauda nali a sadaunidos.Eles gir s dua s sondas ma pearam rca ce de um por espectroscopia (umtodo mé de analisar horas. A rfície do come ta, encon trando a compo sição quí mica deum corpogasoso quarto da supe col i nas, mo ntanhas, penhas cos, depressões e estud ando o pa drão cara cterí stico das li nhas spectrais e que ele produz , veja apágiuma cratera. na 126 ). Seu espe ctro rev elou (ent re outras coisas) que a cauda cont inha o gá s tóxico E sp e ct r o sco p i a - u ma nova man ei r a cianog ênio.Isso le vou o satrônomo amill C e d e VER Flammarion (18421925 ) a dizer que pas No final do sé culo XIX, surg iu um a forma sar pela ca uda “possivelme nte ceifaria todatotalment e nova de x eaminar s a estrelas, a vida na [Terra ]”. Como resultado , o pú estuda ndo-se se u espe ctro com um a técni ca blico foi ludibri ado, ga stando umafortunachama da espectrosco pia. Quando aluz pass a em máscara s de g ás, “pílulas anticometa” epor um g ás, alguns co mprimentos de onda “gua rda-ch uvas n aticometa”. Não prec é iso são absorvi dos, deixando umpadrã o caracO COMETA TRAZ E O COMETA LEVA
Espectro variável de estrela para a constelação Corona borealis (coroa do norte), 1877.
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TENTANDO ALCANÇ AR AS ESTR ELA S
Pickeringicou f rus f trado com acompe tênci a de esus assist entes homens e declaro u que suaemprega da seri a capa z de fazer um trabalh o melhor. Sua emprega da erauma escocesa, Williamina Fl eming (185 7-1911), queimigrou com o ar mido, mas depois foi abandonadapor ele quando estava grá vida. Ela foi trabalh ar para Pickering pa ra sus tentar aela eao filho. Fleming se dedicou à taref a de catalo gar e classif icar sa estre las, des envolv endo um sistema de atribuir a elasuma ca rta de co ardo com a quanti dade dehidrogênio existent e em seus es pectros (sen do A para a maior quantid ade). Em nove nos, a F leming ca talogou ma is de 10.000estrelas.laE descobri u 59nebulo sas Williamina Fleming
gasosas, mais de 10 3estr elas vari áveis, 10 novas ea nebulo sa Horsehe ad. Pickering colocou-a como res ponsável po r uma gran de e quip e de m ulh eres cha ma das “c alcula teríst ico de linhas espe ctrais.Cada ás g cria m ele empregou ara p x eecut ar seu próprio padrã o. Logo, pela análise dadoras”, a que luz de uma setrela,é possív el identi ficar su a composi ção quími ca. O as trônomo ame rica no Henry Draper (18 37-1882), pioneiroda Annie jump Cannon astrof otografia, foi o pri meiro a fotogra far o espectro de uma estrel a, em 187 2. Sua s foto gra fias deVega mostraramlinhas es pectrais disti ntas . Ele tirou ma is de 10 0 fotografias de e spectr os est elares ant es desuamorte em 1882. Em 188 5, Edwa rd Pickerin g (18461919) assumi u a emprei tada ecomeçou a superv isionar o uso em larga cala es ad espe ctroscopia tográfi fo ca como direto r do Elar vard College Observatory, com o objetivo de produzir um ca tálogo detalhado de strela e s. A viúva de Draper concordou em financiar o negóci o de risco, e a catalo gação am biciosa paraa produção do Catálo go Elemy D rape r r come çou. Aprimeira publica ção foi oDrape Catalog ueofS tellar Spe ctra (Catálogo Draper de Espectro s Estel ares) em 18 90, com 10.351 estrelas catal ogada s. 180
LONGE, MUITO LONGE
os cá lculo s necessários envol vidos na classi ficaçã o e catalo gação das strel e as. (As mu PARALAXE lheres re cebiam pena a s 25-50 centa vos por É um método de calcular a distância de hora, menos que s secretári a as recebi am na época). lemin F g evárias outras mulheres daum objeto observando-o de duas posi equipe, incl usive Henriett a Swann Leavitt (18681921) e asobri nha deHenty Draper, Antonia Maury (1866-1952), tornaram-se astrôno mas respeitada s por mérit o própri o. Outra a ds “mu lheres de Pickering” foi Annie Jump Cannon (1863-1941), que aperfeiço ou o sistem a Fleming e introduziu a classif icaçã o de estrelasmcoba se na tem pera tura . Ao contrário de Fleming,Cannon era fo rmada em física ejá esta va estuda ndo astron omia qu ando começou tr aabalh ar paraPickering. la E ficou q uase totalmente surdadepois de contrair ebre f esca rlatina, no entanto , era ela que m neg ociava qua n do Maury e Flemi ng discuti am qu anto aos métodos declas sificaç ão. O novo método de Canno n clas sificava sa estrelas como, O B, A, F, G, K, M (um m nemónico emin glês usa do paralembrar : é“Oh, Be a Fine Guy/ Girl, Kiss Me”), umsiste ma conhec i do como esqu ema Harvardde class ificaçã o espectral que ehoj ainda éusado. Um aper
ções diferentes. No caso de uma esteia, o céu é fotografado duas vezes no inter valo de seis meses. Ao medir quanto a estrela parece ter se movido em relação às estrelas do fundo, os astrônomos po dem usar a triangulação para determinar a distância entre a Terra e a estrela. Você pode ver como o princípio da paralaxe funciona segurando um lápis à sua frente e olhando para ele primeiro com o olho esquerdo e depois com o di reito. O lápis parece se mover em relação ao fundo porque cada olho o vê de uma posição ligeiramente diferente.
feiçoamentodo es quema, cham ado sistema Morga n-Keenan, co mpleme nta c ada letra com núme ros 0-9, e acre scenta numera is roma nos I ao V para indi car luminosidade , mas a ba se do sistema de Cannon foi man tida. Cannon ma is tardessumiria a o projeto de catalo gação. Com todos osseus complemento s, o catá logo Drape r registrou e clas sificou 359.08 3 estre las. Cannon class ificou pes soalmente 230.000 estrel as, ma is do que o trabalho de clas ss. ificaç ão foi feito po r todosmu os astrônomos junto Ela a primeira lher a se r premiada comum douto rado ho norário pela Univ ersidadede Oxford e a 18 1
TENTANDO ALCANÇ AR AS ESTRE LAS
F
primeira mulher a ser eleita representante Huygens tento u anteriormente estimar a da Sociedade Americana de Astrono mia. distância deSirius até aTerracomparando seu brilho com aq uele od Sol. Ele decidiu que, supondo queiriuSs fosse tão bri lhan E xaminando o vazio te qua nto o Sol , estaria 27,664 vezes ais m O método da triangulaçã o que Cassiniusou no sé culo XVII paraestimara distânciatéalonge. Foi uma tarefa difícil, pois ele tinha r suas observações Sol do feitas Marte po deria,com habil idade, ser usado que compara e o dia co m as observações deirius S paraestimar adistânci a até estrelas próxi durant mas. Signi fica usar sa posi ções daTerranumvista à noite. intervalo de seis me ses - ou se ja, em cada Embora o princípio de medir o movi estrela nocéupara lado do Sol - para fornecer a linha-base mentoaparente de uma calcul ar su a distânci a faç a sentido, a téc paraa triangulação. Como a distâncian e nica era difícil e exigia equipamentos que tre a Terra eo Sol é de uma UÀ , ess a linha simplesme nte nã o estavam dispon íveis a os de base terá doi s UA largura, uma dist ância iros astrônomos. Aprimeira stân di grande o suficiente apra sa medidas exa tasprime cia estelar sco de berta om c exa t idão por exigidas. Durant e esse tempo,se verá um a estrela próxima m e posição ere difnte co mpa paralaxe foi lcalculada pelo (1784-1846), quecientista em 1838 alemão rada às estrelas deundo f ma is distantes - umFriedrich Besse u uma distância de 0,3 1 anosmétodo conhecidocomo pa ralaxe(veja o paidetermino -luz pa ra 61 Cygnus. D e fato, um escocê s, nel,página 181). Thomas Henderson (1798-1844), já tinha medido a distânci a até Alpha Cent auri em 1832, mas só publ icou seus resultados de pois de 1839. Uma vez conhecida adistân cia a té uma estrela,é relativamente ácil f reverter sa equa ções deHuygens ara p cal cular seu brilho. No entanto, as ferra mentas veista ainda nã o estavam rea lmente à altdisponí ura da refa. As medidas tinham de ser feitas a olho nu ea fotogra fia ainda não tinha sido inv en tada . Por volta de 19 00, apena s 60 parala xes tinham ido s medidas. oCm o advento da fotografi a, o processo de pôser caelerado acent uadame nte, eos 50anos seg uintes ren derammais 10. 000paralax es.
O satélite Hiparco, usado para medir as paralaxes de mais de 100.000 estrelas.
LONGE, MUITO LONGE
TELESCÓPIOS NO ESPAÇO O Telescópio Espacial Hubble, lançado usan-
da luz de fundo ou distorção da atmosfera da
do-se o ônibus espacial em 1990 e tendo re-
Terra. Os telescópios espaciais foram propos-
cebido o nome em homenagem ao astrônomo famoso, é um telescópio ótico em órbita
tos pela primeira vez em 1923, muito antes de se tornar possível construir um.
em volta da Terra. Por estar no espaço, produz imagens de extrema claridade, quase sem interferência
Imagem do Hubble de duas galáxias que estão se unindo por sua atração gravitacional mútua.
Entre 198 9 e 1993, o satél ite Hiparcodatância até umaCefeida,a equa ção deLeaEuropean Spa ce Agency medi u aspara laxesvitt, que relaciona período-luminosidade à de 118 .000 strel e as, eo catálogo Tycho-2 dadistância, permi tiu quea distância de outras mesmamissãofornece dad os para m ais decefeidasfossedetermi nada. D e repent e, as as através da Via Láctea eaté mes dois mil hões emeio de estrelas adVia Lácdistânci tea. mo afora de la tornaramse evidentes, e des Para estrelas muito distantes,a para laxe cobriu-se que o universo erabemmaior do ava. é de pouca erventia. s Outro método , usanquese imagin mo america no Hardo-se da dos de strel e as cha madas Cef eidas, Em 1918, o astrôno -1972) usou o mé todo foi desenvolvido por Henriett a Swan Lea- low Shapley (1885 vitt, da equipe de mulheres “calculadoras” Cefeida pa ra estudar glo a merados globula de Henry P eckering.sACefeidasvariam m e res que lee pensou exi stirem dentro da Via . Ele perce beu qu e a Va Láctea ra e intensid ade, pulsando me intervalo s quevão Láctea r do que es pens ava a nteriorde um dia a es mes. Uma vez calc ulada a dis muito maio 183
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
mente e que o sistema solar não estava nem mesmo pertodo cen tro, como setinha su posto. No final de 92 13 e início de 19 24, o astrôno mo ame ricano Edwin
Diagrama Hertzsprung-Russell tipo espectral
L / L a c e s n ír t in e d a d i s o n i m u L
Hubble (1889-1953) encontrou Cefeida s fora d a Via Láctea , na Ga láxia de Andrômena , e conseg uiu calcul ar a distânci a até agalá xia como cercade um mil hão de anos-luz (seu s dados fo ram bai xos, n a realidade el a tem ce rca de dois milhõ es e meio de anos-luz de distância). L i str
as d a s
E stre
las
Temperatura da superfície (kelvin)
Diagrama de Hertzsprung-Russell mostrando
brilho (eixo-y) e a temperatura (eixo x) O enge nheiro químico ho landê s Ejnar oestrelas; a cor muda com a temperatura. Hertzsprung (18731967) estud ava as trono mia efotografia em suas horas de fo lga quando descobri u uma relação entre a cor de uma estrela Henry Russell e seu brilho . Em bora Hertz sprung aca basse se tornando um astrôno mo pro
Ejnar Hertzsprung
fissio nal renoma do, ele ai nda erama ador quandopubl icou se us resul tado s em 19 05 e em 1907 em um pe riódico fotográfico modesto . Suadesco bertanão foi reco nhecida elos p satrônomos profissionais. O astrôno mo ame
ricano Henry Norris Russe ll (18771957) também notou a relação ent re o bri lho estel ar e a cor, ma s publicou sua descoberta em um pe riódico 184
das
A VIDA SECRETA DAS ESTRELAS
Arthur Eddington
mais conhecido de astro nomia m e 1913. Além
forma ções o d diagrama de HetzsprungRussellderam aos astrô nomos a primeira suspeita do que poderia esta r acon te cendo dentro das estrelas.
disso,Russe ll traçou um gráfico com os resul ta A vida secreta dos obtidos . A contri das estr elas buição deHertzsprung Arthur Eddington, o as foi reco nheci da desde o trônomo inglês equli início e o gráfico agora é dero u a expedi ção para conhecidocomo diagr ama observaro eclip se solar em Hertzsprung-Russell 1917, confirma ndo a teoria A cor de uma estrela - ou da rela tividade ed Einstein,foi mais exatame nte, o co mprimen o primei ro a imaginar o que pode to de onda a d luz que elamit ee - indica ria estar co a ntecendo dentrode umaestrel a. sua temper atura . No entanto , o bril ho ge Ao combinar informações do diagrama de ral de uma setrela depende tamb ém deseuHertzsprun g-Russelle a massa conhecida tama nho. Assim como um aque cedor po de de algumas estrel as, el e desco briu que sa emitir mais calor que um fósforo queiman estrel as com maio r ma ssa são as mais bri do (muito mais quente) , o tama nho de umalhantes.ss Io faz sentido. A fim de evitar que estrela é otãimport ante qua nto suatempea gravidade pu xe a estrela para dentro , por ratura. ogo, L uma estrela vermelha imensa si me sma, ela d eve produzir e emitir mui pode emit ir mais energia que uma pequena ta energia. Quanto maior a massa, maior a estrel a azul,mesmo que atemperatura da atraçãoda gravi dade emais energia éneces superfí cie daestrelazul a seja ma is alt a. In sária pararesist ir a ela. Ele logo e dscobri u que, independente mente do tamanho e da temper atura da supe rfície, a tem peratura interna de todass aestr elas da sequê ncia p rin cipal é aprox ima dament e a me sma.
Espectômetro de massa usado para medir carbono estável e isótopos de oxigênio.
185
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
"Uma estrela está utilizando um vasto reservatório de ener gia por meios que desconhecem os. Esse reservatório dificil mente será outro que a energia subatômica a qual, como se sabe, existe abundantemente em toda matéria; às vezes sonhamos que o homem um dia aprenderá a liberá-la e a
eleme ntos muito abunda ntes no Sol. Ele conhecia o ba tra lho de Einsteine foi capaz d e aplicar a equação E=m c2ao Sol e deduz ir que sua energia
vinha da fusão nuclear, sendo o hidrogênio forjado no hélio no centro do Sol. Aigeira l di ferença namassa queAston not ou se transf ormaria m e Arthur Eddington, 1920. energia. Assim como uma fissão Ele percebeu tam bém qu e o combustí vel nuclear transforma elementos mais pe que ornece f energi a parauma setrel a deve sados e m eleme ntos mais leves dividin sernuclear - não haveria out ra maneira dedo o núcleo, a fusão nuclear transf orma umaestrelaer t umsuprimento suficiente e d eleme ntos mais leves m e elemento s mais usá-la para atender às suas necessidades. O armazena
mento é praticamente inesgotável, bastando termos acesso a ela. Existe em quantidade suficiente no Sol para mante r sua produção de calor durante 15 bilhões de anos."
combustí vel paracontinuarqueimando dupesados combinando núcl eos. O imenso rante bil hões deanos. volume de gás envolvido significava que A primeira sugestão foi que a energia havia energ ia suficiente send o liberada do Sol eraderiv adade isótopos ra dioativos para alimentar o Sol durante lhões bi de como o rádio , mas a meia-vida do rádioé anos. Mai s tarde percebeuse que todos os curta de mais. Um ava nço imp ortante ve io elementos que não fossem o hidrogênio, por meio do trabalh o executa do no centro o hélioe o lítio eram formados por fusã o de pesquisa atômica Cavendish em dentro Cam- das estrel as ousuperno vas. bridge, Inglaterra. m E 1920, o químico e físico nglês i Francis Aston (187 7-1945) O uv i ndo o va zi o usou um espectô metro de massa pa ra Emborajá lidemos com dist âncias enúme medir amassa do hidrogênio e do hélio . ros de steia e s inimagináveis aos primeiro s O núcleo do hidrogênio tem um próton, observadores de estrelas, nda ai há m uita enquanto o núcleo do hélio tem dois pró tons e dois nêutrons.ston A espelho de metal de desc obriu que qua tro núcleos heliostato (coberto com de hidrogênio tinham pouco papel preto) V mais massa que um núc leo de Folha de papel hélio. Eddington sabia que o hidrogênioe o hélio eram /
Wilsing e o equipamento de Scheiner para tentar detectar ondas de rádio do Sol.
186
G
' Metal Papel
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V >
Ponte de Wheatstone
A VIDA SECRETA DAS ESTRELAS
NIKOLA TESLA (1856-1943) Nikola Tesla nasceu no Império Austro-Húngaro, em uma área que atualmente faz parte
para pior. Ele ficou cada vez mais obsessivo pelo número três e por pombos. O último fato a manchar sua reputação
da Croácia. Ele abandonou a universidade duas vezes e cortou ligações com a família
foi sua promoção do chamado "raio da mor te", que, conforme ele alegava, "enviava
e amigos (seus amigos acreditavam que ele tivesse se afogado no rio Mura). Em 1884,
feixes concentrados de partículas pelo ar, de uma energia tão imensa que derruba
mudou-se para os EUA.
riam uma frota de 10.000 aviões inimigos a uma distância de 200 milhas... e causariam a
Tesla trabalhou com comunicação wireless, raios X, eletricidade e energia. Quando
morte de exércitos em seu raio de alcance".
chegou aos EUA começou a trabalhar para Thomas Edison, mas se demitiu em razão de uma discussão sobre o pagamento. Mais
Tesla viveu os últimos 10 anos de sua vida no Hotel New Yorker, e quando faleceu duas cargas de caminhão cheias de trabalhos fo
tarde montou seu próprio laboratório. Ele era um inventor prolífico, mas algumas de
ram apreendidos pelo governo dos Estados Unidos por serem consideradas um risco à
suas invenções, seu caráter e suas atitudes segurança. eram excêntricas, e ele sempre foi conside rado um dissidente. Suas afirmações de que ele teria detectado transmissões de rádio de alienígenas de Marte ou Vénus não ajuda ram. Em 1904, o Escritório de Patentes dos Estados Unidos retirou a patente de Tesla pelo rádio e deu-a a Marconi; Marconi foi laureado com o Prêmio Nobel pela invenção do rádio em 1909. Depois de brigas com Marconi e Eddington, e a demolição de sua estação Telefunken sem fio em Long Island pela Marinha, temendo que ela fosse usada para espionagem durante a Primeira Guer ra Mundial, a sorte de Tesla deu uma virada
ita em 189 0 que ele e um coisa qu e não ve mos com tele scópio s ópti em uma carta escr strui r umrece ptor para cos, mesm o aqueles anco rados noespaço.colega poderiam con s derádioa part ir do Sol . Se ele Mas qua ndo as partes não sív vieis doespeccaptar onda ruído um apa relho desses, n i fe tro eletro magnético, como ondasde rádio, tivesseconst tado n o das derádio foram usadas, foi possível expl orar ainda lizmente não teria detec mais prof undamente cosmos. oastronomia do ádio espa ço.) O físico ir SOliver Lo dge (18511940 const ruiuinglês re almente um detec Talvez asorigens da r do on estejamga lidas o a inventor e empree ndedortor, mas não encontrou evidências de 1900. Thomas Edison (184 7-1931), que sugeriu das de rádiovindas od Sol em 1897187
Foto da constelação de Sagitário tirada pelo telescópio Hubble, fonte do sinal de rádio detectado por Jansky.
Prevendoa partir das equa ções de Planck aquanti dade deradiaçãoer cebida do Sol que deveri a entr ar em parte da s ondas de rádiodo espectro (comprime nto de onda 10-100 cm), ficou cl aro quea radiação seria ito mu fraca - fraca de mais para se r detec tadapor equipamento dispo nível na época . Um novogolpe veioem 19 02, quando os nge e nheiros elétrico s Oliver Eleaviside (1850-1935) e Edwin Kennelly (18611939) previram a existência da ionosfera, uma cam a Os pri meiro s cientist as que xaminara e m a da de partículas io nizadas na cam ada questão pro fundame nte of ram os astrôn o superio r daatmosferaquerefletiria onda s de mos Johanne s Wilsing (185 6-1943) e Julius rádio. (Contudo, essacamada temtido usos Scheiner185 ( 8-1913), traba lhando naAle importantesomo c u a xílio à comunicaçã o por manha. E les co ncluíram qu e a astronomia d o rádio. Ao liberar onda s derádioda ionosfera rádiofraca ssa porque asondas de rá dio são é possív el transmit ir sin ais a longas dist ân absorvi das por vapo r d’água na atm osfera. cias.) ss Eas concl usões de sapontado raspare Um estuda nte francês, CharlesSordma n, cemter aba fado o entusi asm o pela pesquisa, racio cinou que sea atmosf era estivesse blo e não houv e mais tentati vas de detectar nais si quea ndo ondas derádiodo espa ço, seria me de rádiodo espa ço durante 30 a nos. lhor ele co locar sua ela. umEle loca mais nde ava nço veioem 19 32, quan alto para tentar icar fantena acima mde allevo udo Oo gra eng enheirode rádio americano aKrl ao topo deMont Blanc. Nordma n tam bém não conseg uiu captar onda s de ádio r do Sol - mas no se u caso foi por falta de sorte . O equipam ento dele teriauncionado f em ho ráriode máximo solar, quando as ondas ed rádio emitidas atingem o pico. nfeliz I mente, 1900 foi um período de mínimo solar ,e por tanto,ele nã o detec tou nada. Mas o traba lho de Max Plancksobre ra diaçãode corpo n e gro e quanta deluz revelo u outroprobl ema. Antena de um radiotelescópio no centro de astronomia de Yebes, Espanha.
188
A VIDA SECRETA DAS ESTRELAS
Restos da supernova SN-006, produzidos pela explosão de uma estrela enorme cerca de 7000 anos atrás.
nuvem degás situadano centroda galáxia. Ele queria cont inuar seu tra balho sob re on das de rádio da Via Láctea, ma s seus empre gadores o transf eriram pa ra outro pro jeto e Jansky (1905-1950) foi empregado pela Bell ele teve de abando nar apesquisa. Sua única Telephone Compa ny, emNewJersey, U E A, grande descobertaarcou m o in ício e o fim parainvestigar a interferênci a estáti ca das de sua carrei ra em astrono mia. Otrabalh o ondas de rádioem seu serviço de telefonia de Jansky inspi rou o astrôno mo amador interco ntinental.Usando umagrande a nte america no Grote Reber(19112002), que na direcion al,Jansky encont rou um inal s de const ruiuum radiot elescópio parabóli co em origem de sconheci da quese repetia a cadaseu quin tal em 19 37 e realizou a primeira 24 horas. Ele suspe itou queviesse do Sol,pesquisa do céu com requê fncias derádio . mas então ercebeu p ue q a repeti ção ocor As ondas de rádio do Sol foram desco ria a cada 2 3 horas e56 minut os - menosbertas pelaimei pr ra vez em 19 42 porJames que a dura ção do dia. Um amigo físi astro Hey (190 9-2000), oficial pes quisa dor da co, Albert Ske llett, dissequepare cia vi r das Marinha Brit ânica . A astronomia dodio rá estrelas. Usandopas maastron ômicos, elesestava ntão e se torn ando respeit ável:os as identificaram a Via Láctea com o a origem, trônomos de rádio MartinRyle 191 ( 8-1984) e mais particularmente o centro da aláxia, g e Antony Elew ish 1 ( 924-) na Universidade em torno constelaçã de Sa o, poisdo de cé Cambri peara m as19 font s derádio u no dge inícioma dos anos 5 0, eproduzi ndo o pico dodasin al coi ncidi ao com o gitári apa recimen a s pesqu isas 2C e 3 C (Se gundo e Terceiro to dessa constelaçã o. Jansky suspe itou que Catálo gos Cambridge de Fontes deRádio ). o sinal viesse deumapoeiranterestelar i ou 189
TENTANDO ALCANÇAR AS ESTRELAS
O primeiro nome dado para os pulsares foi LGMs, por Little Green Men, por uma sugestão de que os pulsos representavam transmissões de rádio intencionalmente por uma forma alienígena. Isso causou um grande
extrema mente rem otos. Existem 200.000 quasares o cnhecidos, todos entre 780 mi lhões e 28 bilhões de anos-luz de distância, o queos torna osobjetos ma is distantes dos quais tem os conhecimento. Os primeiros
quasaresforamlocalizados nofinal dos n aos 19 50 e descrito s pe l o astrôn omo ho l andês considerarem manter a descoberta em segreMaarten Schmidt (1929) em 19 62. Surtos do. Então Jocelyn Bell descobriu outro ulsar, p maciços de ra diação de qua sare s podem se r provando que era um fenômeno natural. produzi dos pe la li bera ç ão de energia ravi g taLittle Green Men (Homenzinhos Verdes). cional àmedida quematéri a a cai em direção a um bura co negro imenso . Até 10% dessa Hoje, os ra dioteles cópios costum am ser massaé conv erti do em energi a capa z de es organizados em bancos,suas antenas pon a capar n ates do ho rizonte de eventos (veja a tando para a mesma área do céuos e dados página 197). A fusã o nuclear que oco rre den reunido s detodos eles . Cadatelescópio tem tro das estre las nã o poderia produz ir o brilh o um grande prato de col eta quefoca as on das de rádio recebid as pela antena. Usando do qu asar, forte o suf iciente (com luzisív vel e outras orma f s de ra diação eletro mag néti ca) umatécni ca cha mada interf erometri a, desen da Terra alongas distân volvida por Ryle e Hewish, os dados de cada paraserdetectado cias . A explosã o de um a supe rnova poderia antena ão s combina dos o ( u “in terferidos”). produzi r energ ia suf iciente pa ra se r vist a du Sinais coincidentes força re m uns a os outros, rant e poucas sema nas, ma s um quasar per enqua nto sinais co nflitantes se cancelammu e. Para os qua sare s mais distant es sere m tuame nte. O efeit o é atingir a capacidade edsist coleta deum únicoprato giga ntesco.Paravisíveis, eles precisam ser dois trilhões (2 x 2) de vezes tão brilhant es quantoo Sol. minimizar problema s da ionosfera e o vapor101 tão abilhões de d’ág ua atmosférico,os me lhores lo cais paraOu foram- esses objetos es luz de distância, logo estamos osvendo radiotelescópio s muitas ve zes e stão localiza anosalarme a ponto das autoridades universitárias
dos aaltas alt itudes emregiõ es áridas. como seeles es tivesse m próximos doníicio Embora os dio ra telescópi os possa m ser do universo. usados para inv estigaro Sole os planetaso d sistema solar, eles têm sido mais úteisP apara r a ci m a , para ci m a , e explo rar objetos tão stantes di ue q não po LONGE dem servistos usandose telesc ópios óticos. Nosso e ntendi mento da astro Isso tem levado ascob deertasimportantesnomia eda física do espa ço mu comoquasa res e pulsares. dou consi deravelmente durante o século X X. Mas ta lvez o de sen Q uasar e s - poderosos e re moto s volvimento mais importante O quasar aé abrevi ação daxpr e essã o inglesaseja a união do tempocom quasi ste llar o bje ouetos “obj eto se . o espa emumes único Quasa res sã o ct, obj co m qua mu itaestelar” energ ia, paço-con, ceito -ço ocontinuum com um esvio d importante paraverme o lho -tempo, que será discuti (veja apágina 201), quesignifica queelessãodo no próxi mo ca pítulo . Maarten Schmidt 190
A VIDA SECRETA DAS ESTRELAS
PULSARES - FEIXES GIRATÓRIOS DE POTÊNCIA Um pulsar é um corpo estelar altamente magnetizado, em rotação. Forma-se quan do os recursos de combustível de uma es trela imensa se esgotam e seu centro entra em colapso, transformando-se em um cor po incrivelmente denso chamado estrela de nêutrons. O pulsar é assim chamado porque ao girar emite radiação altamente direcional que só pode ser observada quando aponta diretamente para a Terra - criando um pulso muito parecido ao feixe de um farol refletin do-se no mar. Os intervalos entre os pulsos variam de 1,4 milissegundo a 8,5 segundos. A taxa desacelera até que ele acaba parando, depois de um período de 10-100 milhões de anos, de modo que a maioria dos pulsares que já se formarm (99%), não pulsa mais.
Jocelyn Bell Burnell
O primeiro pulsar foi descoberto em 1967 por uma doutoranda de 24 anos, Jocelyn Bell (agora jocelyn Bell Burnell). Controversamente, foi o orientador dela, Antony
Quando um pulsar gira, suas emissões radioativas só podem ser detectadas da Terra em pulsos.
Hewish, quem recebeu o Prêmio Nobel (em 1974) pela descoberta, e não ela. Observações em 1974 de um pulsar em um sis tema binário (em que um pulsar gira em torno de uma estrela nêutron, com um período orbital de oito horas) forneceram as pri meiras evidências de ondas de gravidade, confirmando outra parte da teoria geral da relatividade de Einstein.
19 1
CAPÍTULO 7
ESPAÇO-TEMPO continuado
Durante il m hare s de an os, observaro espa ço e que rer saber sobre sua estranha ge ografi a eraexatamen te isso- olhar par a for a, tentar ver com o as estre las e os planetas, o Sole a Lua se relacionam com aTerra. Os movimentos do Sol e da Lua eram o relóg io ce lesti al da um h anidade, medindoas hor as, os dias,os m e ostos anos. Mas tempo e espaço mdo consi de raeses dos concei separ ados. D esde oinícioera século XX, no entanto, nossa relaçãoo com tem po e o es paço com eçou amudar. Depoi s de Ei nstein, es el se tomaram nido u s como um continuum , e o estudo do espa ço tomou-se focado nã o apen as “no questá e lá” , mas no pass ado e possi velmente no uturo f de nosso universo.
Uma estrela distorcendo ocontinuum espaço-tempo, criando um efeito gravitacional.
ESPAÇO-TEMPO CONTINUADO
ii
. *
Éfc'’MC3tf Um a brev e his tóri a do tem po
Embora sejaácifl ver a pa ssagem dos dias ,o padrã o de um ano n i teiro se torna veidente somente com o istr reg o e a contagem. A pri meira evi dência de ssoa pe s reg istrandoo tem po des 20.000 anos temáti A ca e os data primeiro conhecimento s atrás. de ma astro nomia provavel mente tenham surg ido junt os qua ndo as pessoas end apreram aco ampanhar epr ae ver os movimentos dos corpos celestes. O cursode um dia ra e medido usando-se umgnomon , um ponteiro de um relógio solar que pr ojeta umasombra para acompa nhar oprogresso do Sol pelo céu. urante D Uma clepsidra, usada para medir o tempo na milênios este oi f o melho r guia pa ra apassa Grécia Antiga. Os relógios d'água têm sido gem do tempo. Então, no sé culo XVII, Ga- usados há milhares de anos. lileu comparoupulso um lust balança ndo ocom seu próprio eredescobriu movimen A to regul ar de um pêndulo.O pênduloeva l Os reló gios medem otempo inea l r, que é sempre o esm m o tempo para osci lar:quanbastante conveniente para vidas humanas, do o arco diminui, o movimento do pêndulo mas pode não representar toda a história. desacelera paramanter o terv in alo regu lar. A ideia de que o tempo pode não ser li Galileu projetou um relógio de pêndulo, near foi sugerida tanto por Buda quanto mas nunca o construiu. Foi Christiaan porHuyPitágoras por volta de 050 a.C. Eles gens que construi u o primeiro rel ógio de acreditavam que o tempo pudesse ser cí pênduloem 165 6. Mais tarde , Robert Ho oke clico e que um ser huma no, depois de usou a osci lação natural de uma mola paramorrer, podia renascer. Platão pensava manhã
e amanhã
e
amanhã
controlardoo mecanismo um oA tempo havia sido no início medida tempo r po meiode s me cânirelógio. cos que de todas as coisas. Mas, criado para Aristóteles, foi a norma taé 1927, quando o engenhei o tempo só existia onde havia movimento. ro canade nse detelecomuni cações Warren Um paradoxo aparente, proposto pelo fi Marrison, que traba lhavana Bell Telepho- lósofo Zeno (c.490-430 a.C.), parece mos ne Laboratories,NewJersey, descobriu que trar que nem o tempo nem o movimento poderia me dir o tempocom e xatidão usa n podem xisti e r. Se dividimos o tempo em do as vibrações de um cristal de qua rtzo empartes ca da vez meno res, adistância atra um circuito elétrico. vessada por uma flecha em movimento torna-se cada vez mais curtaté aque, no instante “agora”, aflechanão se move. "Minha alma anseia em saber este enigma tão intrincado. Confesso a Vós, Senhor, que
sou ignorante do que seja o tempo." Santo Agostinho
194
Mas, nesse co tempo ela não épod e existir ou mover, poisaso, formado de esum nú mero infinito de “agoras” em que nenhum movimento está ocorrendo.
O mecanismo de funcionamento do relógio forneceu a primeira maneira de determinar o tempo com exatidão.
"...tempo absoluto, verdadeiro, matemático... de sua própria natureza, flui igualmen te sem relação com nada externo." Isaac Newton
195
ESPAÇO-TEMPO CONTINUADO
U
cebe u que afalta de uma medi da comum signi fica anão exist ência de Deus. U
ni nd o
espaço
e tempo
Nossa experiência soal pes do empo t é sim ples.O tempose move do passa do para o presente para e o futurosemchance de vol tar, saltar para frente ou co ngelar. Ele se move a um a taxa con tinuament e em um a direção. Não é surpreendent e quedurante milênios supuse mos queestafossea nature za do tempo. Mas vez tal não seja. Tud o é relati vo
Todo mov imento érelativ o à posição ou movimento do obser vador. Logo, você pode atrav essar asala e alguém de pé e pa rado na ala s julgará ua s velocidade como sendo cercade 5km por ho ra; Tanto o v cê quanto o observador tão es em m u globo que gira no espa ço a quase 30km por se gundo, mas ape nas se u moviment o pela sala énotado.Um observador em um pla neta distante (com um bom telescópi o), no Santo Agostinho enta nto, veria o lobo g girandoe rodopian do. (G alileu perce beu isso,embora alas f se de uma pessoa m e um na vio vista por um praia,e não de umalieníge O filósof o cristão Santo Agostinho espectador na .) Logo, a velocida (354-430 d. C.) chegou à conclusão de que na com um telescópio de em queum obj eto se move depende do o temponão ex istiria senão houv esse uma referencial; o mov imento só poder se me inteligênci a observadora, spoi era apenas a dido em relaç ão aos outrosbjeto o s ou ob lembr ança de coi sas passa das ea expectat i servadores. ref O erenci al pode se r a mesma va de eventos futuros que davam ao tempo sala, o me smo navi o, o mesmo planeta ou a qualquer exist ência ora f d o prese nte. mesmagaláxia. O matemá tico francês Ni cole Oresme Einstein desco briu uma xceçã e o a essa (13231382 ) indagava e s o te mpo celestial regra bá sica: aluz, disse le, e sempre vi aja - tempo me dido pelo movimento de orpos c à mesma velocidade- independenteme nte celes tes - era mens urável: ou se ja, se havia da velocidade em ue q o observador está se E explicou que não import ao umaunidade que pude sse medir seus movi movendo. le mentos com núm eros inteiro s. Ele sug eriu quanto você esteja se deslocando , um efixe ria por vo cê a299.792. 458 me que um criador tel inigent e certa mente osde luz passa undo. teria feit o assim, m as por pouco onãpertrospor seg
196
TUDO E RELATIVO
k. LEVANDO A GRAVIDADE A EXTREMOS: BURACOS NEGROS
Os buracos negros são "singularidades no espaço-tempo". Existem áreas onde a gra vidade é tão forte que nem mesmo a luz
O conceito de buraco negro (embora não o nome) foi sugerido pela primeira vez por duas pessoas independentemen te Pierre-Simon Laplace em 1795 e, antes dele,
escapa, e qualquer coisa que passe perto demais é sugada. Os buracos negros podem
o filósofo inglês John Michell (1 724-1 793)
se formar quando as estrelas entram em co
em 1784.
lapso, tornando-se minúsculas, em alguns
Michell chamou de "estrela escura" o
casos não maiores do que o núcleo de um
fenômeno de uma estrela tão densa e com
átomo, e extremamente densas. A veloci
uma atração gravitacional tão forte que a
dade de escape exigida para se sair de um
luz não podia escapar. A ideia foi retomada
buraco negro é maior que a velocidade da luz. O tamanho de um buraco negro é me
pelo físico alemão Karl Schwarzschild (18731916) logo antes de sua morte em 1916, quando ele calculou os campos gravitacio-
dido por seu horizonte de eventos - o limite sobre o qual nada pode escapar. Embora um
nais de estrelas e de estrelas em colapso. O
astronauta que caia em um buraco negro possa não notar nada incomum ao atraves
termo "buraco negro" foi cunhado pelo físi co teórico americano John Archibald Whee-
sar o horizonte de eventos, um observador
ler (1911 -2008) em 1967, quando cosmolo-
de fora verá o tempo para aquela pessoa de
gistas encontraram a primeira evidência de
sacelerar. No limite do horizonte de eventos,
sua existência.
eles parecem congelar no tempo.
197
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ESPA ÇO-T EMPO CON TINUAD O
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Imagem de uma supernova pelo telescópio Hubble, o ponto brilhante embaixo, à esquerda.
Como a velocidade daluz é constante, utras o oisa c s não po demser- e uma delas oé tempo. De fato,ao se aproximar davelo cidade daluz, o tempodesa celera e a distância cont se rai. Einstein pro vou estar correto nesse sentido em 1971. Um reló gio atômico eva l do para umaviagem em um avi ão muito rápido registrou um tempo ligeirament e mais curtoque um relógio d i ênticodeixado estacio nado nosolo.Porémviajar m e um avião rápidonão é uma boa fo rma de estenderua s vida - você preci saria gir ar emvolta daTerra 18 0 bilhões devezes pa ra economizar um único segu ndo. A teoria geral da relatividade publicadas depois de ua s morte em 1867 de Einstein , publicada m e 1915, stein oi f muitoalém deReifoi além, razendo t junt os tempo, espa ço e 1868. Mas Ein ma nn, por elabo rar q e uações paraexplicar e matéri a, e us ando a gravidade paraexplicar o efeito de um no outro. Amatéria cu rva oprever acurvatura. tempoespa ço, como uma bola atiradasobre uma ma nta esti cada ca usa um afundamenB em longe e h á muito tempo to nesta. O mod o como outro s objetos a eExisteoutra fo rma menos teó rica ecompl e luz se m ovem em resposta aessa inclinaçãoxa denosso in teresse lo peespaço se vincular chama mos de ravi g dade. o Lgo, assim o cmo ao interesse pelotempo e vel a ocidade daluz. uma bol a peque na rolará naturalment e para Quando lhamos o para as estrel as, nó s as ve a área af undada da ma nta criada por uma mos co mo el as e ram no passador po causa da bola gra nde,um corpo eque p no em um es duraçã o de tem po que leva paralua z delas paço gravitará na tural mente para umaior, m cheg ar até nós. Mesmo a luz do Soldemo restrito pela curva tura do tem po-espaço. ra oito minutos parachega r aténós.Se o Sol Essacurvatura i foproposta muitoantes detivess e des aparecidodois minuto s atrá s, nós Einstein pelomatemá tico alemão Bernha rd conti nuaríam os avê-lo brilhar, inconsciente Reinmann182 ( 6-1866), cujas ideia s foram do desa stre imin ente,por mais se is minuto s.
0
198
DE VOLTA AO INÍCIO \
A luz da estrela mais próxima, Próxima F o r a d o caos Centauri, leva qua tro anos etrês me ses pa raAnaxágoras, no século V a.C., sugeriu que o nos alcança r. Uma da s estrelasais m brilhan universo começou como matéria indiferen tesjá detectadas , vista pela pri meira vez emciada , inerte. Em algummome nto, depois 1988, foi a us per nova. Uma vez que asu-de um infinito em que nada aconteceu,a pernov presenta a amorte de umae estrela mente (sua nal aogiaa agir comssobre aleisssa natur ais do que xeaplore di u, essa estrel nã o exist mais.uni verso) come çou e matéri a Estava a cinco bi lhões de anos-luz de dis e iniciou um movimento iratório g . Como tância,logo a luz vista em 19 88 signif ica aconsequência, matéri a mais de nsa se ajun morte daestrela cinco bilhões deanos atrás , tou e matéria menos densa dirigiu-se para antes denosso pró prio sistemasolar ter se fora d os corposntão e orma f dos, ou de slizou formado. A super nova testemunhadapor entre ele s. Isso não é tã o diferente do mo Kepler e aGlileu em 160 4 está acerca eddelo que os astrônomos modernos têm do 20.000 nos-luz a dedistância- de modo que desenvolvimentodo universo, com isstema s a estrel a deixou deexistir aproximada mentesolares es formando à medida que discos na épo ca em ue q os mamutes andavampré-planetários pela são amalgamados a par Europa glacial.
tir nuvem eira, e trípet po r meio da de açãouma davasta rgavidade ede dapo forç a cen a formaram-se em planetas. Anaxágoras tra De vo lta ao iní cio u ape nas apartir dalógica (e de muita É claro que qua ndo ninguém bi saa o que era mbalho imaginação). as estre las eos planetas, era íci difl dizer como eles estavam lá, e com alguma s exceçõestá no Os filósofos Demócrito e Leucipo (5 avamque o cosm os tivesse se veis, a maioria das culturas deixou essa ques a.C.) acredit formado qua ndo o movi mento giratório tão para religião. a O arcebispo James Ussher tomos ase aglutinarem , forman (15811656 ) calculo u a data da criaçã o (dalevou os á do ma t éri a. C omo o universo é ma u quan qual a idadedo universo dia po ser estima da) como 22 deoutubrode 4004 a.C ., comtidade infinita de tempo e espaço e contém basenas outras genealogsociedades ias reg istradaspropuseram naBíblia. uma quantidade ini infta deeátomos, todo spo os mundos econfigurações dátomos ssí Muitas suas próprias datas de criação.Os maias de ramveis existirão, e então a existência de nosso dade nã o é especi al, mas uma data para acriação que tr seaduzcomo 11mundoe da humani inevi tável. Como tudo s e tá em fluxo cons de agosto de 311 4 a.C.O judaísmo locou co a os surgirá event e ualment e criação em 2 de setembro u 29 o demarçodetante, um cosm se desi nteg rará, e se us átomos ind e strut íveis 3760 a.C.O hinduí smo purânicoseguiu a di izados emum novocosmo. Mesreção opo sta,com uma ta da ext ravaga nte paraserão reutil a criação, de 15 8,7 tril hões de anos atrás. Há ainda su "A [mente governava] esta rotação em que agora giram as es gestões deque ouniverso trelas, o Sol, a Lua, o ar separado e os outros. E o denso separae do leve, sempre existiu. Aristóteles, por exemplo , pensava que smolhado." o universooss fe finito, mas eterno.
o quente do frio, o brilhante do escuro eo seco do
Anaxágoras, fragmento BI 2.
199
ESPAÇO-TEMPO CONTINUADO
.1
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A divisão de espaço de Descartes em regiões contendo partículas que giram em torno de um centro, 1644.
mo emum espaç o de tem po mais curto , sa bemos que os áto mos em um sistema stelar e quemorre event ualmente osãreciclados. René Desca rtes descre veu um un iverso “vórtice” em qu e o es paço nã o estavavazio , mas cheiode matéri a querodopiava emre demoinhos, ou vórtices, produzi ndo o que mais tarde foi cham ado deefeito s gravit acionais. Em 1687, Newton propôs um univer so estático,infinito, em regime e stacionário em que amatéri a é dist ribuída gua i lment e (em g rande escala). Seu univ erso eraequi librado gra vitacion almente, ma s instá vel. Este pe rdurou como modelo científ ico até o século XX. Mesmo Einstein ace itou isso como e vrdadeinquest ionável até que as des cobertas provaram o contrário . O
UNIVE RSO MODE RNO
Um aspec to das equaçõeserais g da relativi co russo Alexander Friedma nn (18881926). dade deEinstein é que elasnão u f ncio namUsandosaequações darelat ividade deEins em um universo estático sem “falsif icaçã o”. tein, Friedmann prese a ntou um modelo Como Einstein acreditava firmemente quetico de um univ matemá erso em expa nsão o univ erso era estático , ele acr escentou uma em um traba lho publicado em 1922 . Ele “constante cosmo lógica” asuas equa ções morreude febre tifoide no n ao seguinte parafazê-las funci onar. Ma s osoutros in ter com p aenas 73 anos, uma do ençacontraí pretaram sua s equa ções deformadiferente.da enqua nto ele e stava ed férias na Cri Um univ erso emexpa nsão foi pro posto e plameia, e eu s traba lho foi despre zado.Eins primeira vez pelo cosmolo gista e ma temátitein of i um o ds pouc os a ler o traba lho de Friedmann, mas rejeitou-o defini Os filósofos gregos estoicos no século III a.C. acreditavam que o uni tivamente. Entre verso fosse como uma ilha cercada por um vazio infinito e estava em tanto, Einstein foi estado de fluxo constante. O universo estoico pulsa, mudando de ta força do a rejei tar manho, e sofrendo grandes modificações e conflagrações periódicas. Todas as partes são interconectadas de modo que o que acontece em seu própriomo algum lugar afeta o que acontece em toda parte, uma ideia espelhada delo anterio r e curiosamente no embaralhamento quântico (veja a página 135). abandon ar acons-
20 0
DE VOLTA AO INÍCIO
DESVIO PARA O VERMELHO
Se a luz de uma estrela é analisada usando-se a espectroscopia, seu espectro será visto como "comprimido" para aos comprimen tos de onda azuis, como se movessem na direção do observador (desvio para o azul), e "esticado" para os comprimentos de onda vermelhas, como se estivessem se afastando (desvio para o vermelho). Isso é chamado o efeito Doppler. Um efeito parecido ocor re com ondas sonoras; a sirene de um carro de polícia terá um tom mais agudo quando está mais próxima do ouvinte, pois as ondas sonoras estão comprimidas, e um tom mais grave quando se distancia, como se as ondas sonoras se esticassem. O desvio para o ver melho observado pelo Hubble, no entanto, não é resultado de um efeito Doppler causa do pelo movimento das estrelas das galáxias (embora isso viesse a causar um desvio para As ondas de luz são desviadas para o extremo o vermelho). Em vez disso, é resultado do es vermelho ou o azul do espectro dependendo de paço entre nossa galáxia e galáxias distantes a fonte estar se movendo para o observador ou que se estendem, e é assim que o universo se distanciando dele. se expande. O comprimento de onda da luz que atravessa aquele espaço estendido também é tracionado e estendido. A luz com um com primento de onda mais longo é mais vermelha, daí o desvio para o vermelho. É por isso que a existência do desvio à direita é evidência para um universo em expansão. O desvio para o vermelho de algumas galáxias distantes foi medido pela primeira vez pelo astrônomo ame ricano Vesto Slipher (1875-1969), e descrito em 1917. Mas foi Hubble que descobriu que o desvio para o vermelho era universal e que as galáxias mais distantes eram as que recuavam mais rapidamente. Ele publicou isso como a "Relação entre distância e velocidade radial entre nebulosas extragaláticas".
se desviado ara p o extremo vermel ho do tante cosmol ógica de pois de e vidências de es pectro o cha m a do “ de svio pa ra o ver queFriedmann estavarto ce . ). Esse s achados O astrôno mo ame ricano d Ewin Hubble melho” (veja o box acima foram toma dos co m o evid ê ncia deque, de (18891953) emonst d rou em 192 9 que ga láxias dis tantes seafastavame dnossaregiãofato, o universo estáse expand indo. Einsuiu amplamente o modelo espa cialem todas as direções.ubbl H e tinha tein então seg , mas adoto u a visão de que analisado essas galáxias espe ctroscopi ca- de Friedmann o uni verso scil o a entre a expa nsã o, segu indo o mente e notou queseus espectros avi ham 201
ESPAÇO-TEMPO CONTINUADO
s e fins infi nitos, depe n Big Bang, e contr a ação, quando a gravidadefim (outêm início como vo cê de seja lohar paraisso) . puxa toda a matéria para ntrode novamente,dendo de resultando em umBig Crunch uma e singu laridade, quexplodirá e m e outroBig Bang . Do ovo cósmico ao Big Ban g O ciclo continua pa ra sempre, ma s com o A modernavisão do universo passou a existir o temp o é único no espaço, tantoo tem pocom sa teorias do dre pa efísico bel ga Georquantoo espaç o nãotêm nem come ço nemges Lemaitre1894 ( -1966 ), que express ou a
GEORGE GAMOW (1904-1968) George Gamow nasceu em Odessa, no Im
O trabalho de Gamow foi da mecânica
pério Russo, uma área que agora faz parte da quântica até a astronomia; ele desenvolveu Ucrânia. Gamow foi um físico versátil e extre o modelo do átomo da "gota líquida", em mamente bem-sucedido, com descobertas e hipóteses importantes. Seus pais eram professores, embora sua mãe tivesse falecido quando
que o núcleo é considerado uma gota do fluido nuclear não comprimido, descreveu o interior das es trelas gigantes vermelhas,
Gamow tinha apenas nove
resolveu o decaimento de
anos. Sua educação foi in terrompida quando sua escola foi bombardea
partículas alfa e explicou que 99% do universo é composto de hidrogê
da durante a Primeira
nio e hélio por causa
Guerra Mundial, e como consequência muito de
no Big Bang. Ele previu
seu aprendizado foi como autodidata. Gamow traba lhou com alguns dos maio res físicos europeus de seu tempo, entre eles Rutherford e Bohr. Ele tentou escapar da União
das reações ocorridas a existência da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, formulando a hipótese de que as remi niscências do Big Bang persis tiriam depois de bilhões de anos.
Soviética duas vezes, na primeira tentou atravessar 250 km de caiaque pelo mar Ne gro até a Turquia, e na segunda, atravessar do Murmansk até a Noruega. Ambas as ten tativas foram frustradas pelo mau tempo. Ga
mento para cerca de 5e acima do zero ab soluto. Quando Penzias e Wilson descobri ram a CM BR(Cosnrtic Microwave Background Radiation — radiação cósmica de fundo em
mow acabou fugindo junto com sua esposa quando participaram da Solvay Physics Confe-
micro-ondas) em 1965 (veja o box na pági na seguinte), eles verificaram que a tempe
rence na Bélgica em 1933, e se estabeleceram nos EUA em 1934.
ratura, na verdade, tem 2,7 graus acima do zero absoluto.
20 2
Sua estimativa foi que haveria um resfria
DO OVO CÓSMICO AO BIG BANG
UM PRÊMIO NOBEL POR ACASO
Em 1978, Arno Penzias e Robert Wilson compartilharam o Prêmio Nobel de Física por descobrirem a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. De fato, eles não estavam procu rando isso e não a reconheceram, no início, quando fizeram a descoberta. Penzias e Wilson estavam sintonizando uma antena de micro-onda sensível no Bell Telephone Laborato ries em Holmdel, New Jersey, para uso em astronomia de rádio quando detectaram uma interferência que estava afe tando seu trabalho. Eles não conseguiram se livrar dela. Era constante e vinha de todas as partes do céu igualmente. De fato, eles "tropeçaram" na radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMBR). Não tão distante, na Universidade de Princeton, a equipe de Robert Dicke, Jim Peebles e David Wilkinson estava construindo um equipamento para procurar especificamente pela CMBR, e percebeu rapidamente o que
a física de Lemaître, de monst rando que o desvio parao vermelhona luzde galáxias longínquaspro é porcional à sua distância da Terra. Apesar de seu sucesso, a teori a do “ovocósmico” de Lemaître foiridicularizada , mesmo por Eddington, que defendia omode lo do uni verso expandido. O nome BigBang originou-se com um comentário sarcásti co do astrônomo inglês Fred Ho yle (1915 -2001)
Penzias e Wilson tinham descoberto. Ao ouvir a notícia, Dicke virou-se para os outros e disse: "Caras, fomos premiados".
em 1949. Hoyle co nti nuou a defenderum mo delo de “estado estacio nário do universo” be m s de seestabelecer um conse nso geral visão de que o universo começou como um depoi de que Lama ítre e sta va ce r to . Embo ra o ponto nfini i tame nte pe queno e denso - ago 8, se ra cham ado singularid ade, ma s chama do por universo deHoyle, descritoem 194 expa n disse , ele incl uiu a inserçã o regular Lemaître deátomo prime vo ou “ovocósmi ais para ma nter a densi co”. Um eve nto inc alculav elmente rte fo q ue de novos materi dad e geral stável. e O rin p cip al argumento agora cham amos de Bi g Bang expl odiu ess a singularidade, transfo rmando o t da amaté contra a teoria do BigBangfoi quedeve ria do univer so e explodindoo peloespaço. ria haver certa energia calor de restant eel. do al que poderia se r detectáv Lemaît re aprese ntou sua ideia deum evento roigin universoem expans ão na Solvay Physi cs Con - O físico George Gamow (veja obox na ) formulou a hipótese e d que, ference naBélgica m e 1927 , quando enun página 202 o do un iverso, essa ener ciou pela pri meira vez o que ma is tarde escom a expansã gia de calo r teri a re sfriado , passa ndo para tornaria a Lei deHubble - que avelocidad e de obj etosdistantes que se afastam da Tera banda de micro-onda. A confirmação ra é proporcional àsua distânci a daTerra . veio em 1965, com a descoberta acidental smicade fundo em microLemaître discutiu oiss com Ein stein nacon da radiação có ferência, ma s Einstein no vame nte re jeitou a -ondas (CMBR) por dois astrônomos de teoria. Ele dissea Lemaître:“Seus cálculo s rádio, Arno Penziase Robert Wilson em matemático s cestão rreto s,náveis!”. ma s seus ntre co 1965a (v eja ria o o bxdaqueles acima). Com essarevi dên maio qu e disco davam ceito s de físi a são co abomi En cia, ar o Big Bang . tanto , a descobertade Hubble conf irmoupassou aaceit
203
ESPAÇO-TEMPO CONTINUADO
I
%
Como o universo evoluiu desde o Big Bang. Q uantas
e str
e la
s?
Os primeir os catálogos de estrelas podi am listar ape nas aqu elas visí veis a olho nu. Com o aprimora mento da tecno logia, primeirocom o telesc ópio ocular edepois com telesc ópio por rá dio, o número destrelas e detectáveis multiplicou-se de forma contí nua e exponencial. O catálogo Draper (veja pá a de isótopo s radioativos como o urâ nio-238 gina 180 ) aca bou listando359 .083 estrelas. No , o núme timadoqua de strelas e ca e seus produtos deca imento (nucl ologia);deme din do o índi ce eode no entanto uni verso exce de ro dees longe lquer cosmocron nsão do universo e calculando retro a tálogo e, assim como o univ erso, tende aseexpa ra ident ificar qua ndo ele de ve expa ndir. A té o ifnal de 20 10, a sti e mativa getivamente pa e ndo aglomera dos ralmente aceit a era entr e 102 2e 102 4estrel as.ter-se iniciado; e xamina e ndo sua ida Então uma equip e de pesquisa coo rdena da globularesde estrelas deduzi s deestrelas que eles con têm.O por Pi eter va n Dokkumno Observatóriode de dos tipo to para aidade do uni verso Keck no Havaídescobri u em 2 010 qu e podedado mais exa atualment e é calculado como 13,7 bil hões haver trêsezes v ma is estrel as do que o que de a nos. Baseiase nos dados da Sond a de se pensa va, por cont a de umaproliferação de Anisotropia de Micro-Ondas Wilkinson, da estrelas nãs a verme lhas invisíveis anteri or mente alv (t ezem 20algumas vezes ma is queas estimati NASA, uma sepafundo çonaveem que de me a radia ção cósm ica de icro m-ondas. vas anteriores galáxias). O UNI VER SO OBSERVÁVEL
A explosão de uma supernova mostrada em
Agora temos várias formas de estimar a comprimentos de onda ótica (esquerda), idade od univ erso: medindo a abundâ ncia ultravioleta (centro) e raio X (centro).
204
r DO OVO CÓSMICO AO BIG BANG
O quasa r mais distant e BIG BANGS estáem torno de 28 bilhões de anosluz de distância Até 2010, não havia evidência para sugerir que o Big Bang (veja a págin a 190 ) e pode pudesse ter sido um em um ciclo de universos em expan são e contração, mas então Sir Roger Penrose (1931-) e parecer impossí vel seo uni Vahe Gurzadyan (1955-) descobriram círculos concêntricos verso tiver apenas 13,7 bi lhões de anos. A anoma lia claros dentro da radiação cósmica de fundo em microé atribuída à expa nsão do -ondas, o que sugere que as regiões de radiação têm uma espaçotempoentre aTerra temperatura muito menor que em outro lugar. Isto, ale gam eles, sugere um Big Bang anterior, mais antigo, pre e o qua sar. A luz que ago servado como um tipo de fóssil no CMBR. ra rece bemos do quasar foi emitida talvez a12,7 bil hões de anosluz atrá s, qua ndo abaixo a par ti r daqui o quasarstava e mais pró ximo da T erra, ma sT u d o montanha Nosso própri o Sol está aproximadamente como oespaço entre os ois d aume ntou desde tade do caminho de suavida provável. então,o quasa r ag ora está m uito mais afastana me
do. Embora ne m a luz nem o co rpo po ssamPode-se espera r queainda dure uns poucos a deseguir o padrã o ob viajar pelo espaço a velocidades maiores que bilhões deanos ntes erso univ , de expan a velocidade daluz, o tempoespaço po de se servado em outra parte do dirs e e m u m gigante verme lho para depois expandi r a qualquer taxa. ensa E pdo que o e colapso etornarse umaanãbran universo obse rváve l (queteoricamente po de entrar m riar ca da vez ma is. ria ser obse rvado se tivésse mos a tecno logiaca, e finalmente esf ja evi dente quenão est are certa) temme tornode 93 bilhões deanos- Embora se qui paratestemunhar isso, im o f do -luz. Isso não coloca um limite ao tam anho mos a o - se ocorrer - preocupaalguns do univers o todo. Além de le, pode ha verunivers logistas. lEe se expandirácontinua matér ia que ag ora estásepara da daTerra po r cosmo tantoespaço intervenient e quesualuz aindamente atée stornar umcaldo ralo de ma não chegou até nós.
téria disper sa, deixando defuncionar coe rentemente como sistema s planetá rios? Ou será sug ado de volta e m um Big Crunch, un i ve r sos ? Q uantos o para explodir no vame nte e m um Embora a palavra “universo” signif ique pront nov o Big Bang ? Nesse aso, c este ciclo pode que x eiste p aena s um, alguns enti ci stas su terno(embo ra a palavra nã o tenha sig geriram qu e existe, de fato, um multi verso,ser e nif icado em um sist ema em que o tempo, em que nosso pró prio universo é penas a um entre m uitos.Os físicos te óricos Hughjuntamente com o espaço, é esmagado e re iniciar do zero).O começo e o Everett III e Bry ce DeWitt (192 3-2004) criado para niverso são realmentes afronteiras suge riram ummodelode “muito s mundos”fim do u da ciênci a, área s queexploramos com ól nas dé cada s de 1960 e 197 0, eo físico russo -america no Andrei Li nde (194 8-) desc reveu tem gica mé ematemáti ca - mas me aqui ex is todos experimentai s smo que ajudarão em 198 3 um model o em quenosso uni verso ossas teori as à medid a que é um de muitas olhas” “b formada s em uma aprimorar n mold armos a física o d futuro. multi versosujeitoa inflação eterna. 205
CAPÍTULO 8
FÍSICA para o futuro
Quando em 874 1 Max Planck di sse quequeriase especializ ar em física , seu orientador aconse lhou-o a escol her uma discipl ina di ferente,pois não via ha nada para desc obri r nas ciênc ias fí sicas . Felizmente, Planckignoro u o conselho. Ainda h á, qua se 15 0 an os depois, muit o a ser descob erto a n Física . Não conse guimos reconc iliar a gra vidade e amecân ica quânti ca; não podemospli ex car amaior parte da massa do universo; existempartículas queão n podem os de tect ar, massuspei tamos que estej am em algumlugar para serem encontradas; não podemos plicarex bem o que é energia e não sabem os qual será o desti no de nosso univ erso;ou se ele é o ico ún ou ape nas um entre m uitos. Estas sã o algum as d as questõesro pn tas pa ra serem abor dada s pelo s físicos do futuro, que ainda estão em ossas n salas delaau e audi tórios de universidades.
Aplicações práticas da física aproveitam as leis naturais do universo para novas tecnologias.
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1 1FÍSICA PARA O FUTURO
M |
por ref letir ou emit ir luz , respondepeanas Descart ando tudo e por umaquanti dade ínf ima do que sebe sa com eçando de nov o exist ir nele, cerca de 4%. O termo “matéria No século XX, houve na físicauma rea ” foi cunha do paradescrever téri maa valiação fundamental de grande parte do escura que sabe m os exi sti r , ma s nã o co nseguimo s conhecime nto alcança do anterio rmente, conti nuum ver. A ideia de matéria escura foi proposta combinando espa ço e tem po no lo astrôno mo búl garoespa ço-tempo, substi tuindo ce rtezas por pelaprimeiravez pe 8-1974) em1933. incertezas pro e babil idades, tran sforma ndo -suíço FritzZwicky (189 Zwicky pli a c ou cálculos derivados das partí culas e ondas emdualid ades ondasas da relativ idade deEinstein ainte -partículas, e introduzi ndo outra s ide ias teori ra ções ravi g tacio n ais b oservada s no ag lo que, embora biz arras, não po dem ser rejei galáxi as Coma,e desco briu que tadas. De fato,as novas te orias não revo lumerado de o ag lomerado deve nt co er ma ssa ce ntenas cionara m tantoo conhecimento alcança do ior do que lumin a osidade g eral anterio rmente, ma s o ampliaram. Contudo, de vezes ma poderia sug erir.Ele propôs que restante o o conhecimento ampliado não re sponde por seria composto de matéri a es c ura . tudo, e deve ser incorporado emum con
junto modelos que explique que essa substânci a misteri oa sa? Então, A teoriao atua lé ma is aceita di vide a ma téri tudo de o teorias queoif ou descoberto até gora, a além escu ra em matéri a bariônica e não bariô daquil o queainda não temexpli cação. nica. Matéri a bar iônica é ma téria comu m Is t o
é tudo
?
Parece um rafcasso para aFísica, mas um dos m aiores prob lemas remane scent es é com o expl icaros 96 % da den sidadede massaenergia do univ erso. O univ eer, so que podemos vr
Um anel de matéria escura formado pela colisão de duas galáxias, fotografado pelo telescópio Hubble em 2004.
208
DESCARTANDO TUDO E COMEÇANDO DE NOVO
compost a de prótons enêutro ns e outros. Todos es ses objetos visív eis no niv u erso de vem emitir ou refletir luz. Isso pode parecer bastante óbvio , mas é muitosignif icati vo. Se um planeta vagueia onde onãestá ilumina Matéria 3,6% não luminosa do por qualq uer estrela, ou seuma estrela se Matéria luminosa 0,4% apaga, ela nã o pode mais servista. Amatéri a escurabariô nica pro vavelmente é compos ta de ma téria nvisí i vel, como nuvens de ás,g a 145 ), ma s ainda exist e estrelas esg otadas e planetas onãilumina trinos (veja a págin culas não desco ber dos. E stes são cham ados Objetos com Haloespaço para outras partí tas e hipotét i cas como áxio ns e até m es mo Compacto e Grande Massa (M ACHOs, do as exóti cas hipotéticas. inglêsMassive Compact Halo Objects). A pre partícul sença de MACHOs pode se r inferida dos efeito s gravit acionais queeles têm ; eles fo E nerg i a e scur a ar a existênciae dmaté ram e ncont rados pela pri meira vez na Via Se foi difícil aceit
Láctea em 200 0. ria escu ra, os cosmol ogistas de vem ter itdo r qua ndo os resul Porém não existe m MACHOs suficien um choque muito maio Supe rnova Cosmolog y Project foram tes para supri r toda a matéri a escura. cre A tados do s em 199 9. Esseestudo tinha dita-se quea maior parte da matéri a escuraanunciado do supe rnovasTipo la, um tipode abra nja Partí culas Ma ciças Fraca mente nI examina va cuja a m ssa e luminosida tera gentes (W IMPs, do inglês Weakly Inte- estrela explosi ractive Massive Particles). E ssas partícul as de são conhecidas, eportanto, cujo desvio o (veja apágina 201 ) pode são, por definição, difíceis deencontrar,para overmelh ser calcul ado co m exatidão. Os achados do pois elasnão in teragemom c out ras m atérias pro jeto revelaram equo universo não esta atra vés deforçaseletromagnéticas. P arte da va se expandindo a uma taxa contínua nem matéri a escurapode ser decorr ente dos neu-
Zwicky disparou balas de metal do nariz do foguete Aerobee, criando meteoritos artificiais que podiam ser vistos do obser-
descresce nte, como setinha supost o, mas acelerada . Essa aceleraçã o desde então foi confirma da por outraspesquisas , inclusive estudos detal hados de di ra ação cósmi ca de fundo em micro -ondas. Paraxpl eicar es se fenôme no, os ci entist as cu nhara m um novo term o - energ ia esc ura. Mesmo com MACHOs e WIMPs, o orçamento de massa-energia do universo acusa um déficit acentuado.Atualmente se estima queua qse três qua rtos (por vol
vatório de Mount Palomar. Uma das balas teria escapado do campo gravitadonal da Terra sendo o primeiro objeto feito pelo homem a entrar na órbita solar.
ta de 74%) da massaenergia do uniescura verso respond e pela mist erio sa energia , sendo que a matériaescura correspo nde a grande parteodresto. Considera-se qu e
METEORITOS ARTIFICIAIS
Fritz Zwicky adotou uma abordagem não convencional e inovadora à astronomia, e muitas de suas ideias (inclusive a matéria escura) não foram levadas a sério por seus contemporâneos. Em outubro de 1957,
209
FÍSICA PARA O FUTURO
"O universo é formado em grande parte de matéria escura e energia escura, mas não sabemos qual delas é." Saul Perlmutter, do Supernova Cosmology Project, 1999.
a força d a gravidade. E instein mais tar de abando nou a ideia, mas ag ora ela está sendo retomada pa ra exp licar es ses novos achados. Uma teori a é quea constante cosm oló-
gica ag e como n atigra que a gra vidade p uxe o vidade, univ erso ev p aitando ra si mes a energiaescura tem rte fo pres são negamo. A força da constante cosmo lógica n o tiva e, portanto , responde pela expa nsão momentoé consideradacomo um pouco acelerada od universo. Ela provavelmentemaior quea força da gravi dade,mas não é homogênea, n ão mui to densa , mas estáse sabe es ela foi sempr e a mesma ou será present e em toda parte queseria con side sempr e a mesma, nem sereal é mente uma rada espaço vazio. Uma concorrenteconstante. pelo em N todos os cosmo logistas título de energia escura é a constante aceitam cos- aideia deumaconstante cosmo ló a ras out idei as até mes mológica , originalment e adicionada por gica e presentaram cas o c mo a “teoria das cordas” Einstein como um rti afício nas equações mo esotéri ge rais de erso relativ idade pa raemexpli car por a página 213). No ifo entanto nenhuma evidência conv incente encon,trada para que o univ não ent ra colapso sob(veja fazer qualquer teoria particular parecer al Como parece o Universo desde o Big Bang. tamente provável.
21 0
Simulação da criação e decaimento de um bóson de Higgs; ele produz dois jatos de hádrons e dois elétrons.
Onde mais procurar pel
a
matéria? O modelopadrã o da ma téria é que os áto mos sã o forma dos po r partíc ulas co mposta s como nêut rons e prótons, e que setes ão s formados departí culas elementares como quarks v( eja apágina 143). Há teor ias sobre todo um conj unto de outras pa rtículas cuja existênciainda a ã no foi compr ovada - ou que pode m não exist ir mais.Explorar sesas partíc ulas experimentalmente, e não como o desaceleradasais m que out ras o a modelomatemá tico, é tarefa compl exa e ticas sã
onerosa, exigindo equipame ntos altamen se moverem por ele. Adesace leraçãode ereefetivamente massa a te sof istica dos, p rinci palme nte pelo ato f de umapartícula conf muitas terem umaduraçã o muito pequena . ela. Os fótons não são inibidos pelocampo e o poucamassa, masos bóso ns W e O bóson ed Higgs postulado u(opartí têm muit Z são consideravelmente des acelera dos pelo cula “D eus” ) é a única partí cula elementar ca mpo, e, port anto, têm ma ssa signif icati va. previst a pelo modelo padrão de matéria Higgs é mediado pelobóson de queaindanãofoi det ecta da. Co nsiderase qu e O campo de Higg s. Se a existênci a do bóso n de Higgs ele conf ere massa à matéri a, e oi f suge rido cmprov ada, o modelopadrão pelaprimeiravez pe lo físico eórico t inglêspudesseser o estaria completo. Peter Hi ggs (1929) em 196 4. nto, como procura mos por tal Para entender isso, é necess árioexam inar No enta por um inst ante as partícul as que me diam a spartí cula? O s físico s atualmentestã eo ten o explo dir uma partícula tornáe la vi quatro força s funda menta is: o eletro magne- tand ndo enormes celeradores a de par tismo émediado prat icamente por ótons f semsível usa tículas com o o G ra nde Col iso r d e Hádron massa ; os g lúons igam l qua rks pelaort f e for (Larg e Hadron Collider- LHC, ) do CERN, ça nuclear; e osbósons We Z carreg am força ona em um túnelsubterrâneo em nuclearfraca esão mui to pesados,falando emque funci próxi termos rel ativos - cercade 10vezes amassaGenebra, e no Tevatron deFermilab, mo de Chicag o. A existênc i a do quark “to p” de um fóton.O probl ema para osfísicos éxe ab em 1995. Es plicar a dif erençana m assadessa s partí culasfoi confirmadano Fermil se s a cel e radores sparam di feixesde partícu mediado ras deforça s. A solução é um modelo nte alta em que tenha algumas as partí d culas e s desl ocanlas aumavelocidade extremame do e l ntamente nesse melaçocósmico. direções opostas m torno e de um círculo , c es entre elas. O O campo de Higgs éalgo co mo um ca mde modo aprovocar olisõ po de orça f pelo qual amatéri a tem deseLHC é a maior dessas máquinas,com um mover no espa ço. Algum as partícul as quântúnel circular de 27 km de circunferência. O 211
Stephen Hawking em gravidade zero a bordo de um Boeing 727 modificado.
reunin do a gra vidade ea mecânica quânti ca em um conj unto abrang ente de eq uações. LHC disparafeixes ed prótons 11 meses do Anaxágoras poderia ter dito o mesmo. Ele ano,e íons de chumbo umsmê por ano. queria encon trar uma única expl icação para o Os feixes deprót ons sã o ace lera dos a 3 m/ smovimento e amuda nça deestado que oco rre da velocidade daluz e dispara dos em rajano mu ndo ífsico.Ele insi stiu que essaexpfíca das demodo que sa colisões nã o acont eçam ção nãodever ia ter qualquer component e su continuame nte, ma s sem pre e m intervalo s pers ticioso ou divi no e dever ia se r totalmen
de pelomenos 25nanossegundos. te lógica. A mente ica, cósmno model o dele, Um próton acelera do leva p aena s 90 pesquisada constant emente, regul ava econ micro ssegundos para compl etarum circui trolava sa mudanças infinitas queocorriam to do túnel lisor co - o equivalente a1.0 100paracerti ficar-se deque leas estavam todas circuit os por segundo. O programa de pessob o cntrole. O queele queria er dizera qu e quisano LHC começoume 2010. havia umalei, que ele nã o tinha descobe rto Os físicos espera m que , se o modelopanem xeplicado, quecontro lava oluxo f de toda drão estiv er correto, um bóson deHiggs matéria.Esta era uma x epfícação insatisfató será produz ido a cada pouca s horas; será ria, co mo observ ara m seussucessores, s ma necessá rio obter da dos de ois d ou trêsnos a não m uito diferente da s cre nçasde Einstei n e paraconfirmar que issoaconteceu. Hawking de qu e deve haver um a teo ria única e que podem os descobri -la. No final de a su vida, Einstein reconheceu que ele não con Einstein lutoue- fra cassou - para encontra r seguiri a fazer isso, e quedeveria deix ar e sse uma teoria uni ficadora que xpl e icas se tu do, traba lho para outrosenti ci stas. ss Io ainda nã o S
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ONDE MAIS PROCURAR PELA MATÉRIA?
foi rea lizado,e o abismo entreteo a ria quâ n tica e a teori a geral da relati vidade- apesar de e vidênci as e xperimentai s deque m a bases tão corre tas- conti nuasendo umimportante enigmaparaos ífsicos.
"Teoria-M é uma teoria unificada que Einstein estava esperando encontrar... Se a teo ria for confirmada pela observação, isso será a conclusão bem-sucedida de uma busca que começou há mais de 3000 anos. Nós
Uma abo rdag em a esse problema fo i o teremos encontrado o grande design." desenvol vimento da teoria da s cordas. No Stephen Hawkíng, The Grand entanto , ainda não é uma teoria co erente, Design, 2010. não pode ser testadapode e nã o ser am plamente ace ita, ma s procura uni r a teoria quântica ea teoria gera l da relati vidadefor A teoria-M é um desenvolvimento da necendo uma scrição de mais aprof undadateoria da s cordas ue q levahipóteses dafí de a mbas. Na teoria das cordas, odas t sasica anovas fronteiras. A adiçã o de um a Ia partícul as su batômica s são fragmentos mi dimensã o é sua contribuiçãomais mod esta. núsculo s de corda, co m extremidadesber a Para cord as vibrantes,ela a diciona partí cu tas ou m e laço,que vibram emmuitas dilas ponto s, me mbra nas bidimens ionais, or f mensões. Adiferença e ntre as pa rtículas não matos e entidades tri dimensi onais emmais vem de sua composição, que é a mesma, mas dimensões que são impossív eis devisuali zar da harmo nia de suas vibrações.E essa s vi (p-branas, ondep é um núme ro no inter brações não oco rrem pena a s nas três dim en valo de zero a nove). O modo como os es sões de espaçouma e de tempo com a qual paços in terno s são dobrad os determin a os estamos familiariz ados,mas em dez dimen aspectos que considera mos leis mutáveis i sões. A lguma s delas po dem se r enro ladas em do universo tal - como a carga sobreum si mesm as ou durar ape nas um tempo muit o elétronou como a ra gvidade funcion a. A breve,de modo que o nãas perce bemos. A teori a-M, portanto, permite ifered ntes uni teoria das cordas éaltamente especulat iva, eversos com leis diferentes - até 10500delas, mesmo seus propo nentes têm versõe s muit o de fato. Não existemfórmu las da teoria-M, diferentes dela . como ambé t m não existe consen so sobre o que la e seja- umaúnica teoria, uma rede de teorias conectadas, ou alguma coisa que mudade acordocom sa circunstância s? Nin guém tem certez a do querepresenta M. O que Anaxág oras cham ou de mente ()e nous Einstein cha mou deteori a do cam po uni fica do pode agora se r cham ado de teoria-M, mas não estam os muit o mais pró ximos de aber s a resposta- ainda há muitoa se fazer naFísica. O aglomerado de estrelas Messier73, observado por Halley: "Este é nada mais que uma pequena mancha, mas ele é visto a olho nu quando o céu está sereno ea Lua, ausente". 21 3
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IN D IC E
Índice Abhaya, Rei, 74 Aston, Francis 186 Academia de Experimento 21 astro lábio 161 Académie des Sciences 22 astronomiaveja tam bém conti nuum es paçoAlberto da Saxônia 78-79 -tempo al-Biruni, Abu Rayhan 19 , 160, 162 e brilho das estrelas184-185 e cometas 176179 al-Farisi, Kamal al-D in 48 al-Ghazali 33 e energia snaestrelas 185-186 al-Haytham, Ibn Hass al- an Ibn 18-19 , 27e espectro scopia 180182 28, 49, 67, 160 e Galileu 17 1-174, 175 -176 Alhazen 18-19, 47-48, 49 e modelo co pernica no 165-164, 170 al-K hwarizimi, Muham med ibn M usa 15 9e model o ptolomaico157, 163 , 164, 166 160 al-Marwazi, Habash al-Hasib160 alqui mia 35, 36 Al-Rahwi 19 al-Shirazi, Quth al-Din 48 al-Suíi, A bd al-Rahma n 160 Amontons, Guillaume 103 Ampère, André-Marie 101, 111 Analytical Mechanics (Lagrange) 90 Anaxágoras 26-28, 29, 70, 87, 199 Anaximander 17
e na índia 157, 158 e pulsares190,191 e quasare s 190 e radioastrono mia 186 -190 e Tycho B rhae 165166,167 e uso d o teles cópio 169-170, 171-172, 175-176,183 e Via Láctea 184 instrume ntos na 176-177, 182-184 na Ch ina 15 3 na GréciaAntiga 15 4-157
Anderson, Carl 145 na Mesop otâmia 153154,161 antimatéria 144-145 no mundo árabe 158160, 162 Aquino, Tomás 78 no pe ríodo p ré-histórico 152 Aristarco 154-155 visão da supernova 162-163 Aristóteles 18, 199 átomos e ideias damatéri a 30, 31-32 deca iment o 138 , 139140 e ideias de me cânica 7576, 77 descrição de 29 e ideias de tempo 194 discussã o sobre aexistênci a de 35 e método científ ico 23 e antimatéri a 144-145 e velocidade da luz 67 e composto s 41-42 influênci a na Europa m edieval 20, ,30 50 e corpuscularianismo 35 Arkwright, Thomas 90 Arquimedes 76 Arrhenius, Svante August 109, 112 Aryabhatiya 158
e elemento s 39-42 e elétro ns 122, 124126, 128 , 129, 130133 e fissã o nucl ear 141142
INDICE
e Interpretaçã o deCopenhagen 134137 Brahe, Ty cho 161, 165166, 16 7 e mecâ nica quânti ca 43, 126-139, 143- Brahmagupt a 158 147, 149 Brentano, Franz 43 e neutri nos 137 , 145-147 Broglie, Louis-Victor de 128, 129 e nêutro ns 137-139 Brown, oRbert 4 2 cula bóson de Higg s 147, 149, 210Browne, homas T 10 7 ee partí termodinâmica 42-43 Brueghel, o Velho , Jan 25, 37 força obre s 138 -139 Bruno, G iordano 17 0 ideias deestrutu ra de Bohr 124-126 buraco s neg ros 197 ideias do umndo ára be 33-34 Buridan,Jean 78, 79, 163 ideias doécu s lo 17 dos 3639 Burne ll, Jocelyn B ell 191 ideias dosreg gos na Antiguidade 2832 ideiashindu dos 2-33 3 Calculadores de Oxford 80 model o do pudim depassas 122-124 calor Aubrey, John 20, 37, 54, 58 e ideias de go fo 95-96 Agostinho, Santo 196 eluz 103-105 Averroes 34, Avicenna 19, 78 67, 77-78 Avogadro, Amedeo 42
e mecâ nico 98 , 99-100 e modelo termodinâmica 98-103 e zero absolut o 102-103 modelocalórico98-99, 101 Bacon,Francis 20, 67 camera escur a 49 Bacon, Roger 19-20, 48, 5051, 67 Cannon, Annie Jump 180, 181-182 Baliani, Batista 87 Carnot, Nicolas S adi 10 1-103 Beche r, Johann 95 Cassini , Giovanni 167 -168, 176 Becqu erel, lAexandre63, 116117, 118 , 139 Cavendish, Henry 108 Beeckman, Isaac 81 Cefeidas 183-184 BenjaminThompson,Conde de Rumford Céres e os Quatro Elementos(Brueghel o Ve
99 lho) 24-2521, 22 Bernoulli, Daniel 88-89, 98 Cesi, Federico Berti, Gasparo 87 Chadwick,James 137138,140, 14 5 Besse l, Friedric h 182 Châtelet, Émilie Du 95, 97 Bevis,John 163 China Bhaskara59 astro nomia na15 3 Bohr, Niels 124-126, 12 7, 13 5, 14 8 e ideias demagnetismo 110 Boltzmann, Ludwig43, 124 mecâni ca na 75 Bonaparte, Napoleão 23 Clausius, udo R lf 100, 101 Book ofBodiesand Distances (al-Marwazi) 160 cometaHalley 17 8-179 Book oftheDevil ValleyMaster 110 cometas 186-189 Bot hee,, Walter Boyl Robert 137 21, 22, , 35 37, 39, ,59103 Bradley,ames J 69 Brady, Nicholas 39
compostos 41-42 128constante de Planck 129 continuum es paço-tempo veja mbém ta s a tronomia
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índice
â
e buraco s negros197 e desvio parao vermelh o 201 e energi a escura 208 -209 e multiversos 205 e númerode estrel as 203 -205 e origens do universo 199-200 e teoria darelatividade 196 , 198 e teoria do Big Bang 022 203, 20 5 e universoem expa nsão 200202 e velocidade da luz 198-199 Copérnico, ico N lau 16 3-164 Coriolis, Gusta ve-Gaspard de 105-106 corpuscularianismo 35, 7-585 Cowan, Clyde 145 -146 Curie, Marie 117 -118, 119 Curie, Pierre 11 8, 119 Dalton, John 41-42, 103, 122 Davy, Humphry 98 , 99,106 De aspectibus Sobre ( apers pectiv a) (al-Haytham) 47 De magnete (G ilbert)110, 155 De Nova Stell a (Brahe) 166 Dee, John 170 Demócri to 19, 28, 29, 31 , 199 Desaulx, .J 42 Descartes, René
Discursos e Demonstrações Matemáticas a Respeito de D uas Novas Ci ências (Galileu) 17 4 Dokkum, Pi etervan 2 04 Drape r Catalo gue of Stell ar Spe ctra 18 0, 181-182
Drape r Henry180 Dresden Cod ex 16 2 Du Shi 75 dualidadeda onda-partícul a 127 -137 Eck, Jo hannes 12 Eddingto n, Arthur 0-71, 7 185 , 186 Edison, homa T s 186 efeito fotoelétrico62, 63 Einstei n, Albert131 e adireçãoda luz 70 e a dualidadeda onda-partí cula129-130 e a expans ão do univ erso200-201 e a Interpretaçã o de Copenhagen 135137 e a teoria darelatividade 196198 e a teoria do Big Bang 02 2 e ateoria uni ficada 21 2 e a velocidade daluz 70 e eletromagnetismo 203 e o efeitofotoelétrico62, 63 e o éter 32
descre ve o uni verso 200 e geometria cartesi ana 55 e ideias dematéri a 32, 35,37-38 e ideias de me cânica 81, 82 e ideias deótica 52, 53-54 e velocidade daluz 67,70 desvio parao vermel ho 201 DeWitt, Bryce205 Dialogue of the o Tw Chief World Systems (Galileu) 173-174 Dicke,Robert 0 23
e o métodocientíf ico 23 e o movimentodas moléculas 42 -43 e o paradoxo EPR 135-137 e o Projeto Manh attan 142 eleme ntos 39-42 eletr icidade106-111 eletromag netismo 6162, 111114 elét rons 12 2, 124-126, 128 , 129 , 130133 Empédocl es 30, 31, 46, 57, 67, 95 empiri smo 36 energia cin ética 10 6
Digge s,, Thoma Leo nard , -17 169Digges s 53 169 0 170 dinâmica 7782, 84 Dirac,Paul 132-133, 144-145
energia escura 209210 energia pot encial 106 energia conservaçã o da 94
ÍNDICE
conversão da94-95, 99 e calor 95-96 e eletr icidade 10 6-111 e eletroma gnetismo 6162,71, 111-114 e energia cin ética 106
Filopono,João 77 física descrição da-17 16 e crescime nto de socieda des cient íficas 21-23
e energia pot encial106 e magnetismo 110-111 e movimentoperpétuo 95 e radiação 116-119 e raios-X 114-115, 116-117 e termo dinâmica 98 -103 energia escura 209-210 Epicuro 28-29 esferaarmilar 16 1 espec troscopia 180-182 Estrelas
e ideias daGréciaAntigade, 17-18 ideias do mundo be árasobre 1819 ideias sobe rna Euro pa medieval 19-20 fissã o nucl ear 141-142 Fizeau, Elippolyte 69 Flammarion, Cami lle 179 Flams teed, John 174-175 Fleming,Williamina 18 0-18 1 flogisto 95-96 fogo 95-96 Foucault, Léon 69-70
brilho da s 184-185 Cefeidas 18 3-184 distâncias sda182184 e espe ctroscopi a 180182, 20 1 energi a nas 8 15-186 númerode 203-205 éter 31 , 32, 53-54, 57, 6266 Euclides 4 6 Euler, e Lonard 09 Europa me dieval e ideias daluz 48-51
Frankl in, Benjamin 107-108, 109 frascos deLeyden 107 Fresnel, Augustin-Jean 60-61 Friedma nn, Alexander 200-201 Fujiwara, adi S ae 1 63 Galilei, Galileu 83 conflito com aigreja172-174 descreve fís aica 16 e experimento com bola 81-82 e ideias de mecâ nica 8182, 87
e ideias dematéria31, 34-35 e medi da do tempo 194 e ideias de me câni ca 80 e método científico 20-21 física na 19 -20 e uso do telescó pio 51, 53, 83 , 171-172 influência de Aristótelesna 20, 34, 50 e velocidade daluz 67 Everettl II, Elugh 135, 205 membro da Lyn cean A cademy12 Exner, Felix Mari a 42 Galil eo (espaçonav e) 170 experiment dcom bola -8281 Galvani, Luigi 109 Gamow, George 202 , 203 Fabricius, Johann 172 Gan De 171 Faraday,Michael 61,100, 111, 112, 114 , Gassendi, iPerre 35 , 57, 84 , 166 115 Gay-Lussa c, Joseph Louis 101, 103 Fay, Ch arl es edu 170 Fermat, Pierr de09 Ferni, Enrico 140, 14 1, 142 , 145 Feymann , Richard 94 , 143, 147 , 148
Geber 1Hans Geiger,9 122 Gell-Mann, Murray144 geometri a cartesi ana 5
■
IN D IC E
Gilbert,William 110-111 , 155 glúons 143 Gouy, Louis Georg es 42 Gravesande, Willem 95 gravi dade 85 , 169
e Micrographia 21, 22, 5657 e microsco pia 5657 Horrocks, Jeremi ah 177 Hoyle,Fred 0 23 Hubble, Edwin 184, 201, 20 3
Gray, Stephen108-109 Grécia Antiga astron omiana 154157 e ideias damatéri a 33-34 e ideias detomos á 2832 e ideias deluz 46-47 e ideiasde mecâ nica 84 física na 1718 Grosse teste , Richard 8-50 4 Guericke,Otto von 37, 41, 107 Gurzadyan,ahe V 205
Hubble,telescópi o espec ial 183 Huyge ns, Christiaan 53 constrói reló gio de pêndu lo 194 e ideias daluz 58, 60, 67, 68 e uso do te lescópi o 175-176
Halley, Edmun d 174, 17 5, 176 -178 Hamilto n, Sir William Rowa n 90, 91 Hargreaves,James 8990 Harriot , Thomas 1 72 Hartsoeker , Nicolaas 38-39 Hawkin g, Steph en 43, 212, 21 3 Heaviside, O liver 18 8 Heisenb erg, Thomas 1 82 Henry,Joseph 111-112, 11 3 Heron deAlexandria6-47, 4 87 Hertz, Heinrich 43,114, 117 Hertzsprung, jnar E 183, 18 4-185 Hertzsprun g-Russel l, diagra m 184, 185 Hewish, Antony 18 9 Hey,James189 Hidrodinâmica (Bernoull i) 88, 98 Higgs, P eter 21 1 Hiparco 7, 155 -156 Hipocrates 30 Hittorf , Johann Wilhelm 114
Idade daRazão,A 35 ímpeto 77, 80 índia astro nomia na 15 7, 158 e ideias daluz 46 e ideias dostomos á 3233 índicede refraçã o nega tiva 69 inércia 82 , 84 Interpretaçã o de Copenh agen 134 -137 Jansky, Karl 188-189 Joliot-Curie, Frédéric 136, 137, 141, 142 Joliot-Curie, Irène 136, 137, 141 Joule, James Prescott 99, 100, 103 Kanada (Kashya pa) 32, 33 Karlsru he Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) 147 Kelvin, Lord 64 , 100, 103 Kenne ly, Edwin 188 Keple r, Johannes 5152, 78 , 83, 5 8, 167169 Kleist, G eorgvon 107
home ome rias 29
Lagrang e, Joseph-Louis 41 , 90 Lambert, Hei nrich 10 3 Laplace, ierre P iSmon 86, 103 , 197 Lattes, é Csar 138
Hooke, Ro bert 21 , 22, 59 , 174, 194 e astro nomia 182 e ideias daluz 182 e Isaac Newton 56-57, 59
Lavoisier,Antoine 2 6, 3941, 9 6, 98-99, 103 Leavitt, Henrietta Swan 181, 183 Leeuwenhoek, Antonie van 35 lei deOhm, 109-110
ÍNDICE
Lei de Sne ll 70 Leibnitz, Gottfried 86, 95 Leigh,David 102 Lemaître, eorg G es 202-203 lentes 5 3
Maxwell , JamesClerk 32, 61-62, 100, 102103, 107, 167 mecâ nica celest ial 85-86, 8 1 mecânica os d fluido s 86-89, 90 mecâ nica quânti ca 43, 126139, 143-147,
LencipoSir 2829, 19 918 149 Lodge, Oliver 6-187 mecânica Lorentz, Hendrik 32 e Calcul adores de Ox ford 8 0 Luz veja tam bémótica e dinâmica 77-82, 84 como linha re ta 7071 e Galileu 81-82 desenvolvimentoda teoria da s onda s 58e ímpeto77-80 62 e Isaa c Newto n 84-85 dualidadeonda-partí cula 127 -137 e Revol ução Industrial 8990 e calor 103-105 e velocidade 8 0 e efeito otoelétrico f , 52, 63 experimento do túnel 8079e éter 53 -54, 57, 6266 ideias so bre ,a no mundo ára be 84 e ons 62, e fót idei as hind us63 da46 e radiação eletr omagnética 6162, 71 ideias deIsaac Newton sobre 5758 ideias do mundo árabe47da 48 ideias do século 16 e 17 sobre 5154 velocidade da 67-70, 198-199 LynceanAcademy 21-22, 104 Mach, Ernst 1 9 Magiae naturalis ell (da Porta) 104
ideias sob re no sécul o 16 e 17 80-82 ideias sob re, no século 18 e 19 90-91 inércia 82, 84 mecâ nica celeste 8689, 91 mecânica dosuidos fl 7689, 90 mecâni ca estáti ca 7 8 moment um 82 , 84 na Chi na 75 na GréciaAntiga75-77, 7 8 na Mesopotâmia 7475 no Sri L anka 4 7
Mai as 1 62 roj Mendelee v, Dmitri Manhattan Pect 14 2 Mersenne, Mari n 6740 Marriso n, Warren 19 4 méson s 13 8 massa, co nservação da 26, 40 Mesop otâmia74-75, 153154, 16 1 matéri a escura208-209 método científico 18, 19, 20, 21 , 23, 36, 49 matéria Michell , John 197 e Anaxág oras 2628, 29 Michelson, Albert 64-66 e atomismo 2834 Micrographia (Ho oke) 22, 5657, 5 9 Mill, John Stuart 52 e teoria el ementar 30 -31 ideias da Europa m edieval sobre 31, model 34- o atômico pud im depassas 122124 35 momentum 82, 84 ideias dogre mundo be ára dada 333432 ideias dos gos anti gos 26ideias hin dus da32-33 Maury,Antonia 1 81
Morley, Edward 64-66 movimento perpétuo 6 8 movimento eja v m ecânica Muller,Johannes163
ÍNDICE
multi versos 05 2 Mundoárabe astron omiano 158-160, 162 e ideias damatéri a 33-34 e ideias deluz 47-48
ideias de René D esca rtes sobre ,52 53-54 Oresme, Nicole 19 6 Orsted, Chri stian 111 50 Otica(Bacon)
e ideias me cânica 84 física node 18-19 Musschenbro ek, Pietervan 1 07
Panzi , Arno 203 54 Papaas Alexandre paradoxo EPR 135-137 Parakrambahu, Rei 74 paral axe 181,182 , 183 Nagaoka, Hant aro 124 Parmêni des 26, 13 Nernst, W alther 102 partí cula bóson de Higgs 147, 149, 210212 neutri nos 137, 145 -147 partícul as suba tômica s veja mecâ nica quân nêutrons 137-139 tica New Experiments and Observations Touching pártons 143 -144 Cold(Boyle) 103 Pasca l, Blaise 88 Newto n, Isaac 86 descreve o v17 erso 20017 e astr onomiuni a 4, 175, 6 e corpuscularianismo 35 e eletricidade 10 7 e gravi dade 85,169 e ideiasde átomos 38, 4 1 e ideias deluz 57-58, 6869 e ideias demecâni ca 8486 e ideias deoptica 54 -57 e ideias detempo195 e leis de movi mento 8485
e Robert raciocínioHoo de dutiv o e indutiv e ke 56 -57, 59 o 18 Nicholas de Autrecourt -35 34 Nordma n, Charles 18 7
Pauli , Wolfga ng 13 7, 145, 146 Peebles, Jim 203 pêndulode Foucault 23 Penrose,Sir Ro ger 205 Perlmutter, Sa ul 210 Perri n, Jean 43,122 Philosophical Transactions 22 Pickerin g, Edwa rd 180 -181 Pingzbau T able Talks (Z hy Yu) 110 Pitágoras 17 , 154 Planck, Max ,62 63, 106
e radiação mecânic ado quânti ca negro 126 126 e corpo Platão 8 1 e ideias dos átomo s 28,30, 31 e ideiasda luz 46 O Novo Organon da s Ciências (Bac on) 20 e ideias do tempo 194 ObservatórioReal 174 Plínio, o Velho 5 3 Occhia lini, Giuse ppe 12 8-129 Podolsky, Bo ris 135 Ohm, Georg 0 19 Poisson, SiméonDenis 10 1 On a General Methodin Dynamics(Hamil Porta, G iambatti sta della21, 104 ton) 90 positron 145 óptica veja tam bém luz Powell, Cecil 138 e dese nvolvimentode lentes 53 Prévost, Pierre 99 e trabalhode Robert Ho oke sobre 6-57 5 Principia (Newton) 174, 77 1 ideias desaIac Newton sobre 5458 Prognostication Everlasting(Digges) 17 0
INDICE
Pseudo-Geber 34 Ptolomeu, Cl audiu s 47, 70 , 156, 157 , 161 pulsars 190,911 quad rante 161
Skellett , Albert189 Slipher, V esto 201 Snellius, Willebrord 70 Sobre Revolução dasEsfe ras C eleste s(Coperni cus) 163164
quar ks 3190 quasa res14 , 204205
Sociedade Real 22 sociedade s cientí ficas 21 -23 Sócrates 27, 28 racio cínio dedutiv o 18 Soddy, Fred erick 13 8, 139140 raciocínio indutivo18 Sri Lanka 74 racion alismo36 Stahl,GeorgErnst 95 -96 radiação 6-119 11 Starry Me ssenger (G alileu) 172, 173 radiaçã o do corpo neg ro 104-105, 187-188 Stonehenge 15 2 radioastronomia 186-190 Szilárd,Léo 14 1-142 raios-X 114-115, 11 6-117 TalesdeMileto 17, 18, 26, 11 0 Ramsay, Sir Wi lliam 14 0 telescópio s 51, 52-53, 8 3, 169170, 171Rank Wi lliam Rebe rine, , Grote 18 9 106-107 refraçã o da luz 70-71 Regio mantus163 Reimann, e Brnhard98 1 Reines, Frede rick 145-146 Richer,Jean 176 Ridwa n, Ali ibn 16 0 Rodolfo II, Imperador 16 7, 168 Rohault,ac J ques 38 Römer , Oie 67-68
172,175-176, 183 tempo medid a do 194196 e parado x deZeno 194, 195 teoria da onda -62 59 teoria da s cordas 3 21 teoria do B ig Bang202-203, 20 5 teoria elementar 31 30, 95 teoria unif icada 13 2 teoria-M 213 termodinâmica 43, 42-98-103
Röntge Wilhelm nrad 11 4-115, 118 Rosen,n,N athan 135 Co Russe ll, Henry184-185 Rutherford, Ernest 11 8, 122 , 124, 139140 Ryle, Marti n 189
Tes la, Ni kolaG 18 7e 129 Thomson, eorg Thomson, Jo seph John 43, 122-124 Torricelli, Evang elista22, 88 Twain, Mark 179
Sahl, Ibn 70 Samkhya, escol a de46 Sce ptical Chym ist, The(Boyle)35 Scheiner , Julius 188 Schmidt, Maart en 190
Ussher, James199 vácuo, descoberta do 37 Vaisheshika, escola de 46 Vasaba, Rei 74
Schrö dinger, Erwin 13 0-133, 134135 VedangaJyotisa velocidade 80 158 Sc hwa rzschi ld, Karl 197 Shakir, áTar J Muhamma d ibn Musa ibn160 Via Láctea 184 Vishnu Purana 46 Shapley, Harlo w 183-184
■j g
INDICE
Viviani, Vincenzo 22 Volta, Alessandro 109
Young, Thomas 51 Yukawa, Hideki 138-139
Wheeler, John Archiba ld 197 Wilkinson, David 2 03
Zeno, a pra doxo de 194 , 195 zero ab soluto 102-103
Wilsinn, g,Robert Johannes 8 Wilso 0 23 18 Wren,Sir Chri stopher 2, 174 Wright, Edward 15 5
Zhang Zhu Yu Hen 11 0g 75 Zij al-Sindb (al-Khwarizimi)159 Zwicky , Fritz 208, 209
Créditos das imagens Shutterstock: 16, 17, 27 (2x inferior), 28, 31 (2x superior), 51 (1), 65 (superior), 67, 69, 78, 94 (inferior), 95, 126 (inferior), 127 (superior), 144, 152 (superior), 159 (inferior), 161 (todas), 165, 181 P hotos.co m : 21, 2 7 (superi or), 30 , 36 C orb is: 24, 44, 6 6 (infer ior), 71, 92, 11 9, 120, 129, 137, B ridgem an: 31 (infer ior), 40, 54, 72, 1 Scienc e Ph oto L ibrary: 39, 41,
72 (inferior),
156 (inferior), 202, 206
178 (inferi or)
47 (sup erior ), 63 (superior),
64, 86 (superior),
(inferior), 135 (superior), 136 (superior), 136 (inferior), 155,
98, 102, 106 (inferi
or), 111,
132
17 2 (m eio), 183 (inferior), 184 (superior), 184
(inferior), 189, 190, 191 (inferior), 192, 197, 200, 201 B ri tis h M useum : 53 (infer ior) M ary Evans
: 1 57
T op foto: 76( G etty:
1) 89, 91, 159 (superior ), 171
82
C lipa rt: 77, 1 00
The N urembe rg Chro ?iicle: 18;
Rita G reer: 22;
(1 996): 2 3 (infer ior ); Rebecca G
A rnaud
C lerget: 23 (s
uperior );A
Pictorial History de
Joseph G
. G al l
lov er: 33, 5 7, 180 (s uperior ); M on fredo d e M on te Imp eri ali , 14th C : 34;
J o h a n n K er se b o o m : 37 ; Sm ith so n ia n I n sti tu tio n (T h e D ib n e r L ib ra ry P o rtr a it C o lle c tio n ): 43 ; G iro la m o di M atteo de
T aur is for Si xtus IV: 46;
N ino P isa no: 47 (inferi
or); N oé L ecocq : 48 (s uperior ); bank note Ira
48;G nan ga rr a 49 (super ior) ; St efan Kü hn : 49 (infer ior), 13 9; Bib li otheca cart es: 52
(direi ta); Isaac
N ew ton: 55 (inferior), 57 (superior), 84
C hrist iaan H uygens: 60 (superi
or); C aspar N etscher:
L e R il le: 6 5 (infer ior) ; F alcori an: 66 (superior G og uet: 74;
T amar H ayardeni: 76 (dir
H oo ke: 58; We nce slas H ollar: 59;
); G iulio P ari gi: 68; m anuscrit o de Ihn Sahl: 70
; An toine-Y
ves-
G od frey Kn eller:
argill ière: 97;H arper’s New Monthly Magazine,nn231, agosto
18 69: 9 9; V Baill y (1 81 3): 101 ; Pe ter G ervai: 103; (super ior ); O tt o V on G ueri cke:
, 175;
60 (infer ior); Jam es C lerk M axw ell : 62 (infer ior); A lai n
eit a); Bil l St oneh am : 80; Justus Sust ermans: 83; Sir
86 (infer ior); D aniel is Bernou ll i: 88; N icolas de L
q:
A po stol ica Vati cana: 50 ; R ené D es
E SA / N A SA : 104, 1 88 ( superior ), 19 8; Scott
R obinson : 106
L,eçons de Physique (1904): 107 (inferior); 107 (super ior ); L . M argat -L ’ H uil li er
N atural Philosophyfor Commom and H igh Schools(18 81 ),
p. 1 59 de L e R oy C . C ooley:
108; R yan Rom m a: 11 0;
A rchaelogical M useum o f Spa in : 110 (i nferi or); N ev it D il m en: 113 (inferior E);xperimental ResearEletricity (vol. 2 , plate 4): 11 3 (superior ); A rthur W illi am P oy ser (1892)Magnetism and E lectricity: 114;
N ational
ches in
H arr iet M oore: 11 5; G eorge G rant ham
Bain C ollect ion (L ibrar y o f C ongres s): 11 8, 185 ( super ior ); N A SA/
J P L : 125 (s up eri o r), 176 ; P au l E h re n fe st : 127 ( in fe rio r) ; in d u c tiv e lo a d : 128 ; U S A irf o rc e : 130 ; G e rh a rd H u n d : 132 (superi or); B erl in Ro bertson:
135 (superior ); Smithson
C om mission) : 141 (i nfer ior ); Julian H Bria n J. F ord,
Images of Science (19 93):
(dir eit a); T hom as M urr ay:
M ar san: 167 ; T he Y er kes O bservator y: 178 (meio); tut e Archi ves: 180 ri or); N apoleon
(inf er ior ); M ichael
Sar ony:
156 (super ior) ; N A S: 160,
164;D ie G artenlaube: 1 68 ; W hipp le M useum o
174; A ntonio C
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tom ic E nergy
uisar d; Sim on W akefi eld: 15 2 (infer ior );
154 (infer ior); J. van L oo n (c .1611 -1686):
212; D resden Co dex : 16 2; A nd reas C ell ari us: o f Sci ence: 169
ian Insti tut e: 140; G ary Sheehan (A
er zog ; 149 ; E SO / St éphane G
ablo A lexandre,
Popular Science Monthly,
Jesus
f t he H ist ory M er chân, D
avid
V ol. 11 : 179; Sm it hson ian Insti
Perrym an: 182; N A SA / H ST : 18 3 (super ior ); H annes G robe:
185 (inf e
187; Yebes : 188 (infer ior ); A str ono m ical Inst it ute , A cadem y o f S cie nces o f the C zech
R epubli c: 19 1 ( superi or) ; M useo Barr acco: 1 94; Sa ndro Bo tt icel li : 19 6; N A SA / W M A P Science
T eam:
(su per ior ), 21 0; N ASA / Swif t / S Im m l er : 20 4 ( inf er ior ); N A SA/ E SA, M J L ee e H . Ford (J ohns H opkins
204
U ni
v e rsi ty ): 20 8; L u ca s T ay lo r: 2 11; E SA / H u b b le e N as a: 213 W ik o u s e r: D id ie r B 8 1; T am o rla n 87 (i n fe rio r) ; ram a 9 6 (s u p eri o r); F as tifi ss io n: 124 ; o ra n g e d o r: 126 (s u p eri o r); Shakat aG aN ai: 146 A u to r d es c o n h ec id o : 35, 51, 52 (1), 62 (s u p er io r), 109 , 125 , 163 , 166 (d irei ta)
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