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A contribuição de Einstein à Física. (1) Giorgio Moscati Instituto de Física da Universidade de São Paulo       "Sua Majestade, Sua Alteza Real, Senhoras e Senhores: É provável que nenhum físico vivo tenha seu nome tão conhecido como o de Albert Einstein."                   Com   estas   palavras   S.   Arrhenius,   presidente   do   Comitê   Nobel   para   a   física   da   Academia   Real   Sueca   de   Ciências,   iniciou   seu   discurso   na   entrega   do prêmio   Nobel   para   a   Física   a   Albert   Einstein   em   1921   pela   sua   contribuição   à   explicação   do   efeito   fotoelétrico.   Einstein   não   estava   presente   à   cerimônia   por encontrar-se longe demais da Suécia!                   Hoje,   passados   quase   60   anos   dessa   cerimônia   e   quase   25   de   sua   morte,   o   nome   de   Einstein   continua   vivo   e   conhecido   -   talvez   o   mais   famoso   de   todos os cientistas.       Qual a contribuição de Einstein à ciência que o tornou tão conhecido?                      Para   compreender   o   alcance   e   importância   de   sua   contribuição,   que   ocorreu   a   partir   de   1905   e   se   estendeu   até   sua   morte   em   1955,   devemos inicialmente considerar a situação da física em 1900. A Física em 1900                      No   período   entre   1600   e   1900,   a   física   sofreu   um   grande   desenvolvimento.   A   Mecânica   Clássica,   originando-se   com   Galileu   e   desenvolvida   por   Newton, estava   plenamente   estabelecida,   o   movimento   dos   planetas   era   descrito   com   grande   precisão   e   as   aplicações   à   engenharia   tinham   grande   sucesso.   0 Eletromagnetismo   desenvolvido   entre   a   metade   do   século   XVIII   e   a   metade   do   século   XIX   por   Franklin,   Faraday   e   Maxwell   acabava   de   ser   coroado   com   a observação   por   Hertz   das   ondas   eletromagnéticas   previstas   por   Maxwell.   As   aplicações   na   eletrotécnica   já   traziam   frutos   promissores   e   se   iniciava   a   era   do rádio   com   as   experiências   com   o   "Telégrafo   sem   fio".   A   Óptica,   depois   de   um   início   conturbado   em   que   o   modelo   corpuscular   de   Newton   dominou   sem sucesso   o   século   XVIII,   se   estabelecia   com   a   teoria   ondulatória   e   se   coroava   no   século   XIX   com   a   identificação   da   luz   como   uma   onda   eletromagnética   que satisfazia   as   equações   de   Maxwell.   A   termodinâmica   finalmente   se   estabelecia   com   a   identificação   do   calor   como   uma   forma   de   energia   e   com   a   formulação das   leis   da   termodinâmica   por   Joule,   Carnot   e   Helmholtz.   Estava   aberto   o   caminho   para   os   projetos   em   bases   cientificas   das   máquinas   térmicas.   A   teoria cinética   dos   gases   e   as   idéias   da   mecânica   estatística   por   Maxwell   e   Boltzmann   davam   uma   descrição   das   propriedades   dos   gases,   baseada   na   hipótese   de que   um   gás   era   composto   por   partículas;   os   hipotéticos   átomos   e   moléculas.   0   estudo   da   estrutura   da   matéria   dava   seus   primeiros   passos:   com   inúmeras observações   e   poucos   elementos   unificadores,   havia   evidências   químicas,   eletroquímicas   e   espectroscópicas   de   que   o   problema   era   complexo,   mas   se acreditava que, com as armas da Mecânica, Termodinâmica e Eletromagnetismo, aos poucos os problemas seriam resolvidos.                   0   caráter   ondulatório   da   luz   era   um   fato   estabelecido,   e   nada   levava   a   suspeitar   de   que   poderia   haver   algo   de   descontinuo   num   feixe   de   luz   .   A   hipótese da    estrutura    atômica    da    matéria    era    claramente    defendida    por    alguns    como    uma    "realidade"    enquanto    que    para    outros    era    apenas    uma    hipótese conveniente para explicar certos fenômenos mas, na "realidade", a matéria seria contínua.                   Havia   problemas.   Algumas   regularidades   na   emissão   de   luz   pelos   "átomos"   sugeriam   uma   estrutura   bem   definida.   A   condução   de   eletricidade   em   gases e   sólidos   aguardava   explicações.   Surgiam   incompatibilidades   entre   o   princípio   da   relatividade   de   Galileu,   que   garante   que   as   leis   da   física   podem   ser verificadas   em   qualquer   referencial   inercial,   e   o   eletromagnetismo   de   Maxwell   que   parecia   sugerir   a   existência   de   um   referencial   privilegiado   em   relação   ao qual   a   velocidade   da   luz   tem   o   valor   previsto   pelas   equações   de   Maxwell.   Observações   feitas   por   Michelson   indicavam   a   inexistência   de   um   tal   referencial privilegiado.                   Começavam   a   ser   investigadas   as   interações   da   radiação   com   a   matéria   e   várias   radiações   recentemente   descobertas   já   eram   produzidas   em   laboratório -   raios   canais,   raios   X,   raios   catódicos   e   os   raios   emitidos   pelo   urânio,   alfa,   beta   e   gama.   Dentre   estas   interações   o   efeito   fotoelétrico,   que   consiste   na emissão    de    raios    catódicos    por    metais    iluminados    com    raios    ultravioleta,    tinha    características    peculiares.    Este    fenômeno,    descoberto    por    Hertz,    ao demonstrar   o   caráter   ondulatório   da   radiação   eletromagnética,   viria   ironicamente   fornecer   evidência   do   caráter   corpuscular   dessa   radiação.   Este   fenômeno só   ocorre   se   a   radiação   ultravioleta   tem   comprimento   de   onda   inferior   a   um   determinado   valor;   a   energia   cinética   dos   raios   catódicos   emitidos   não   depende da   intensidade   da   fonte.   Estes   fatos   eram   inexplicáveis   em   termos   do   caráter   ondulatório   da   luz,   aceito   na   época.   No   campo   da   termodinâmica   havia   um problema   que   Planck   conseguiu   solucionar   formalmente   em   1900,   que   consistia   em   explicar   o   espectro   da   radiação   emitida   por   um   corpo   aquecido.   Como mostravam   as   observações,   este   espectro   é   essencialmente   independente   da   substância   que   o   emite,   dependendo   apenas   da   temperatura.   Isto   sugere   o caráter   fundamental   do   fenômeno,   o   que   desafiou   Planck   para   a   sua   solução.   Para   explicar   as   observações,   Planck   teve   de   usar   uma   hipótese   que considerou   desesperada   -   impôs   que   a   emissão   e   absorção   de   radiação   eletromagnética   por   parte   da   matéria   ocorria   de   forma   descontínua,   isto   é,   se   for emitida   radiação   de   freqüência   f,   a   energia   desta   radiação   só   pode   assumir   um   dos   valores   hf,   2hf,   3hf,   etc.   Sendo   proibidos   quaisquer   outros   valores,   tais como,    por    exemplo,    1,5    hf    ou    2,3    hf.    A    constante    h    é    hoje    conhecida    como    constante    de    Planck.    Naturalmente,    havia    inúmeros    outros    resultados experimentais   aguardando   explicações   plausíveis   e   confundindo   a   situação.   Alguns   destes   resultados   eram   incorretos   e   não   foram   mais   reproduzidos   e outros eram pouco relevantes para sugerir teorias capazes de explicar uma ampla gama de resultados. Einstein                   Em   1900,   Einstein   tinha   21   anos   e   se   formava   na   Escola   Politécnica   de   Zurique.   Não   se   revelara   aos   estudos   e   não   se   adaptara   ao   sistema   educacional vigente.   Seu   inconformismo,   tão   essencial   à   sua   contribuição   impedia   sua   integração   na   escola.   Conseguiu   finalmente   seu   diploma   sem   ter   de   pagar   o   alto preço da perda da criatividade e independência intelectual.                   Conseguiu   um   emprego   no   departamento   de   patentes   em   Berna   e   começou   sua   produção   científica   publicando   já   a   partir   de   1901   alguns   trabalhos sobre termodinâmica.                   0   ano   de   1905   foi   o   ano   de   suas   grandes   contribuições.   Conseguiu   seu   doutoramento   na   Escola   Politécnica   de   Zurique   publicando   seus   resultados. Publicou   ainda   quatro   trabalhos   que   marcaram   a   historia   da   Ciência.   0   primeiro   se   referia   á   teoria   do   efeito   fotoelétrico;   o   segundo   se   referia   ao   movimento Browniano;   o   terceiro   à   teoria   da   relatividade   e   o   quarto   mostrava   a   eqüivalência   entre   massa   e   energia   -   a   famosa   expressão   E   =   Mc2   -   como   conseqüência do princípio da relatividade. Durante os 10 anos seguintes Einstein desenvolveu a teoria geral da relatividade, que publicou em 1916.                      Durante   o   período   de   suas   primeiras   contribuições,   Einstein   trabalhou   muito   isolado,   sem   quase   contatos   com   a   comunidade   científica.   Foi   talvez   isso que lhe permitiu atacar os problemas com grande originalidade, concentrando-se nos pontos fundamentais sem se deixar desviar pelos detalhes. A teoria da Relatividade                   Disse   Einstein   que   o   problema   da   relatividade   começou   a   preocupá-lo   quando   tinha   16   anos   e   foi   despertado   ao   tentar   imaginar   como   um   observador que   se   movesse   com   a   velocidade   da   luz   descreveria   uma   onda   eletromagnética.   Este   problema   mostrou-se   muito   rico   e   sua   resposta   exigia   a   solução   do conflito    entre    o    princípio    da    relatividade    de    Galileu,    que    garante    que    as    leis    da    Mecânica    são    as    mesmas    em    qualquer    referencial,    e    as    leis    do Eletromagnetismo   de   Maxwell   que,   com   a   experiência   de   Michelson,   indicam   que   a   velocidade   da   luz   é   constante   e   independente   do   referencial.   Assim,   se para   um   observador   a   velocidade   da   luz   vale   c   =   300.000km/s,   para   outro   observador   em   movimento   em   relação   a   ele,   e   na   mesma   direção   da   propagação da   luz   com   velocidade   v,   a   velocidade   da   luz   deveria   valer   c   -   v   aplicando   a   relatividade   de   Galileu   e   deveria   valer   c   pelo   eletromagnetismo   de   Maxwell.   Estava criada uma contradição.                   Einstein   postulou   que   a   velocidade   da   luz   teria   o   valor   constante   em   qualquer   referencial   inercial   e   a   partir   daí   passou   a   reformular   a   relatividade   de Galileu.                   As   modificações   necessárias   foram   profundas   e   implicaram   no   abandono   dos   conceitos   de   espaço   e   tempo   absolutos   de   Newton   levando   ao   fato, amplamente   comprovado   hoje,   de   que   o   intervalo   de   tempo   entre   dois   acontecimentos   depende   do   movimento   do   referencial   em   que   o   observador   se encontra.   0   mesmo   ocorrendo   com   as   dimensões   de   objetos.   Com   essas   mudanças   Einstein   conseguiu   deduzir   leis   para   a   soma   de   velocidades   que   não mais   levavam   a   contradições.   Conseqüências   importantes   que   foram   logo   notadas   por   Einstein   são:   a   massa   de   um   objeto   depende   de   seu   estado   de movimento; há uma eqüivalência entre massa e energia; objetos materiais não podem atingir ou ultrapassar a velocidade da luz no vácuo.                   A   eqÜivalência   entre   massa   e   energia   implica   em   que   à   massa   de   1   kg   corresponde   a   energia   de   9.000.000.000.000.000.000   de   Joule   ou   seja,   a   energia capaz   de   aquecer   20.000.000.000.000   kg   de   água   de   0ºC   até   100ºC   !   Esta   eqüivalência   entre   massa   e   energia   constitui   o   princípio   fundamental   de funcionamento   dos   reatores   nucleares   que   nada   mais   são   do   que   transformadores   de   massa   em   energia.   Alias,   sob   este   ponto   de   vista   qualquer   máquina térmica é também um transformador de massa em energia mas em outra escala.                   A   generalização   do   problema   da   descrição   de   fenômenos   observados   a   partir   de   referenciais   que   não   são   inerciais   levou   Einstein   em   1916   à   teoria   geral da   relatividade.   Essa   teoria   prevê   que   raios   de   luz   podem   ser   desviados   por   campos   gravitacionais   intensos   e   que   a   luz   muda   de   freqüência   quando   se   move verticalmente   em   um   campo   gravitacional.   Este   último   fato   eqüivale   a   dizer   que   dois   relógios   que   estão   a   distâncias   diferentes   do   centro   da   terra   não permanecem   sincronizados.   Verificações   experimentais   da   teoria   geral   estão   de   acordo   com   as   previsões.   A   teoria   geral   encontra   aplicações   em   cosmologia, na   descrição   do   universo   e   de   sua   evolução   e,   recentemente,   tem   sido   usada   para   explicar   as   propriedades   surpreendentes   dos   buracos   negros   em   que   a intensidade de seu campo gravitacional impede que emitam radiação (daí seu nome). O movimento Browniano                   De   acordo   com   a   teoria   cinética   dos   gases   desenvolvida   durante   o   século   XIX,   as   moléculas   de   um   gás   estão   em   contínua   agitação,   chocando-se   e trocando   energia   de   forma   que   a   energia   cinética   média   de   todas   as   moléculas   é   igual.   Apesar   de   que   esta   teoria   descrevia   corretamente   algumas   das propriedades   dos   gases,   muitos   cientistas   não   consideravam   esta   concordância   como   uma   comprovação   da   existência   das   moléculas.   Aceitavam   apenas que   um   gás   se   comportava   como   se   fosse   constituído   por   moléculas,   o   que   era   muito   diferente   de   aceitar   que   o   gás   era   "realmente"   constituído   por moléculas.                   Einstein   estudou   o   movimento   que   deveria   ter   uma   partícula   imersa   em   um   líquido   supondo   que   as   moléculas   do   líquido,   de   forma   semelhante   às   de um   gás,   se   chocariam   com   a   partícula   empurrando-a   ao   acaso   em   todas   as   direções.   Se   a   partícula   fosse   suficientemente   grande   para   ser   observada   ao microscópio   mas   também   suficientemente   pequena   para   sofrer   deslocamentos   observáveis,   seria   possível   determinar   diretamente   a   energia   cinética   média do objeto e portanto a energia cinética média de uma molécula (ambos esses valores são iguais por hipótese).                   As   conclusões   de   Einstein   previam   como   o   deslocamento   da   partícula   deveria   ocorrer   durante   um   certo   tempo   de   observação.   Em   seu   trabalho   original, Einstein   foi   muito   incisivo   dizendo   que   se   o   movimento   não   fosse   observado   isto   seria   um   argumento   muito   forte   contra   a   teoria   cinética   do   calor.   Fez também   considerações   sobre   a   possibilidade   do   efeito   em   estudo   já   ter   sido   observado   por   Robert   Brown   em   1827   que   constatara   que   grãos   de   pólen   em suspensão aquosa estão em continua agitação.                   A   comprovação   experimental   dos   resultados   previstos   por   Einstein   foi   considerada,   na   época,   como   uma   evidência   fortíssima   para   a   "realidade"   das moléculas e teve um papel importante na "conversão" de cientistas de prestígio para o clube dos atomistas. O efeito fotoelétrico                   A   hipótese   usada   por   Planck,   de   considerar   descontínua   a   radiação,   para   conseguir   explicar   o   espectro   de   emissão   de   um   corpo   aquecido,   parecia   tão inaceitável   nos   primeiros   anos   deste   século   que   ninguém,   a   não   ser   Einstein,   se   atreveu   a   considerá-la   como   indicando   a   existência   de   pacotes   de   radiação com   energias   bem   definidas.   Como   de   costume,   era   considerada   como   uma   hipótese   que   explicava   alguns   resultados   e   que   indicava   que   a   radiação   se comportava como se fosse emitida e absorvida em pacotes, mas não implicava necessariamente na existência "real" desses pacotes.                   Em   parte,   esse   comportamento   se   justifica,   pois,   para   os   físicos,   como   aliás,   para   qualquer   cientista,   não   é   válido   criar   entes   específicos   para   resolver problemas específicos. Um novo ente criado só começa a adquirir credibilidade se aplicável a uma variedade suficientemente ampla de fenômenos.                   Baseado   em   evidências   experimentais   muito   fragmentárias,   Einstein   considerou   o   efeito   fotoelétrico   como   um   fenômeno   a   ser   explicado   pela   interação dos   pacotes   de   energia   com   a   superfície   de   onde   são   emitidos   elétrons.   As   previsões   feitas   por   Einstein   com   relação   ao   que   deveria   ser   observado   nas medidas   foram   bem   especificas   e   detalhadas.   A   energia   cinética   máxima   dos   fotoelétrons   emitidos   deve   ser   uma   função   linear   da   freqüência   da   luz incidente e a emissão só deve ocorrer se essa freqüência for maior do que um certo valor mínimo (característico de cada material).                   Não   havia   dados   experimentais   na   época   para   verificar   as   previsões.   Devido   às   dificuldades,   resultados   precisos   tiveram   de   aguardar   até   1915,   quando Millikan comprovou plenamente as previsões de Einstein.                   É   interessante   relembrar   as   palavras   usadas   por   Millikan   em   1949,   ao   fazer   seu   tributo   a   Einstein   por   ocasião   de   seu   septuagésimo   aniversário:   "Gastei 10   anos   de   minha   vida   testando   a   equação   de   Einstein   de   1905   e,   contrariamente   a   todas   as   minhas   expectativas,   fui   compelido   em   1915   a   relatar   sua incontestável verificação experimental, apesar de sua implausibilidade, pois parecia violar tudo o que conhecemos em relação à interferência da luz".                   Nem   todos   foram   tão   difíceis   de   se   convencer   como   Millikan,   que   aliás   não   foi   convencido,   mas   se   convenceu   (parece)   !   Aos   poucos   a   idéia   da quantização da radiação foi sendo aceita. A partir de 1913, a constante de Planck passou a ser utilizada como elemento central no modelo atômico de Bohr.                   Já   no   primeiro   artigo   sobre   o   efeito   fotoelétrico,   Einstein   considerou   outros   fenômenos   conhecidos   que   davam   suporte   à   "realidade"   da   quantização   da radiação.   Hoje,   os   "pacotes   de   energia"   de   radiação   eletromagnética   são   chamados   fótons   e   sua   emissão   e   absorção   descontínua   são   o   dia   a   dia   dos   físicos, biofísicos, biólogos moleculares, químicos, etc. Outros trabalhos                   Ao   se   considerar   as   contribuições   mais   importantes   de   Einstein   não   se   deve   esquecer   seu   contínuo   trabalho   abordando   inúmeras   áreas,   discutindo   e criticando   os   desenvolvimentos   da   Física.   Não   podemos   deixar   de   citar   sua   famosa   discussão   com   Bohr   na   década   de   trinta   sobre   os   fundamentos   da mecânica   quântica   e   que   contribuíram   ao   seu   estabelecimento.   Suas   regras   gerais   referentes   às   leis   de   absorção   e   emissão   de   radiação   pelos   átomos   têm aplicação   para   o   funcionamento   dos   lasers.   Seus   esforços   continuados   para   a   formulação   de   uma   teoria   unificada   das   forças   na   natureza   encontram   hoje continuidade e alguns progressos importantes estão sendo conseguidos.                   Vistos   em   conjunto   e   considerando   o   desenvolvimento   da   Física   no   século   XX   conclui-se   que   Einstein   revolucionou   a   Física.   A   teoria   da   relatividade   leva   a uma   reformulação   total   dos   conceitos   de   espaço,   tempo,   massa   e   energia.   A   explicação   do   efeito   fotoelétrico   leva   à   estrutura   corpuscular   da   luz   e   ao conceito de fótons. A explicação do movimento Browniano levou ao estabelecimento da hipótese atômica como uma "realidade" e não apenas um artifício.                   Para   a   grande   maioria   das   pessoas   é   difícil   apreciar   em   toda   a   sua   profundidade   a   grandiosidade   das   contribuições   de   Einstein   e   suas   implicações.   Os especialistas são praticamente unânimes em reconhecê-la. Assim em relação a Einstein a fama popular e entre os cientistas são concordantes.                   Einstein   reuniu   características   que   o   levaram   a   estudar   problemas   fundamentais,   abordá-los   com   grande   profundidade,   criatividade,   originalidade, inconformismo e persistência, desenvolvê-los sob um ponto de vista amplo levando-os até as últimas conseqüências.                   Seus   trabalhos   são   meticulosos,   as   vezes   com   cálculos   numéricos   detalhados   e   com   orientação   precisa   aos   experimentadores   sobre   como   observar   os efeitos   previstos.   Seus   trabalhos   são   em   geral   claros   e   didáticos   e   freqüentemente   apresentados   em   diversa   formas   com   ênfase   diferentes   e   vários   graus   de dificuldade   procurando   atingir   ora   os   especialistas,   ora   os   menos   especialistas.   Seus   argumentos   são   sempre   físicos   e   só   usa   a   matemática   quando indispensável.                   Defendeu   sempre   suas   posições   e   participou   ativamente   durante   mais   de   50   anos   do   desenvolvimento   da   Física   num   período   extremamente   rico,   em grande parte como conseqüência de suas próprias contribuições. (1)   Publicado   originalmente   no   Suplemento   Cultural   do   Jornal   "O   Estado   de   São   Paulo"   em   11/03/1979,   por   ocasião   do   Centenário   do   Nascimento   de   Albert   Einstein- divulgação neste sitio autorizada pelo jornal, que detém os direitos autorais. (+)   O   professor   Giorgio   Moscati   está   atualmente   aposentado   da   USP   mas   continua   colaborando   com   o   Departamento   de   Física   Experimental   da   Universidade   de   São Paulo.   É   assessor   do   Presidente   do   Instituto   Nacional   de   Metrologia,   Normalização   e   Qualidade   Industrial-   INMETRO,   é   membro   do   Comitê   Internacional   de   Pesos   de Medidas   (CIPM),   do   Bureau   Internacional   de   Pesos   e   Medidas   (BIPM)   e   é   Presidente   do   Comitê   Consultivo   de   Radiações   Ionizantes   do   BIPM.   Sua   atividade   principal esta no campo da METROLOGIA.