Boa parte das imagens utilizadas neste site pertencem a terceiros, que gentilmente permitiram sua utilização, assim sendo não posso
autorizar a utilização das imagens deste site.
© CIÊNCIA-CULTURA.COM - Responsável - Ricardo Pante
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.