SEARA DA CIÊNCIA
CURIOSIDADES DA FÍSICA
José Maria Bassalo


As “Nuvens” de Kelvin Revisitadas e Possíveis “Nuvens” no “Céu” da Física Contemporânea.

 

Em verbete desta série, analisamos o famoso discurso pronunciado pelo matemático e físico escocês William Thomson (1824-1907) (Lorde Kelvin, a partir de 1892), no dia 27 de abril de 1900, na Royal Institution of Great Britain, discurso esse que é assim resumido pelos historiadores da ciência: Vejo apenas duas pequenas “nuvens” no sereno céu do conhecimento científico: o experimento de Michelson-Morley, realizado em 1887, e a discordância entre os valores medidos e os valores teóricos, previstos pela Termodinâmica para os calores específicos em baixas temperaturas. No verbete referido acima, discuti o significado daquele experimento, bem como a razão da discordância (teórica e experimental) entre os calores específicos em baixas temperaturas. Neste verbete, destacarei um pouco mais esse discurso de Kelvin que foi por ele revisado em um artigo, de 39 páginas, publicado na Philosophical Magazine 2, p. 1, em 1901, com o título: Nuvens do século dezenove sobre a teoria dinâmica do calor e da luz. Para uma análise mais detalhada desse artigo, ver: Peter A. Schulz, Duas nuvens ainda fazem sombra na reputação de Lorde Kelvin, Revista Brasileira de Ensino de Física 29(4), p. 509, de 2007.

                   Logo no primeiro parágrafo daquele artigo, Lorde Kelvin afirma: A beleza e a claridade da teoria dinâmica, que coloca calor e luz como modos de movimento, está presentemente obscurecida por duas nuvens. I. A primeira apareceu com a teoria ondulatória da luz, desenvolvida por Fresnel [físico francês Augustin Jean Fresnel (1788-1827)] e o Dr. Thomas Young [físico e médico inglês (1773-1829)]; envolvendo a questão de como pode a Terra mover-se através de um sólido elástico, como é essencialmente o éter luminífero? II. A segunda é a doutrina de Maxwell-Boltzmann sobre a eqüipartição da energia. Depois de discutir o movimento da Terra no suposto éter, Kelvin termina com o seguinte comentário sobre o experimento de Michelson-Morley, por nós analisado no verbete referido acima: Eu não consigo vislumbrar nenhuma falha, tanto na concepção quanto na execução do experimento. Mas uma possibilidade de escapar da conclusão que o experimento parece provar (Kelvin se refere à inexistência do éter), pode ser encontrada em uma brilhante sugestão feita independentemente por Fitzgerald [físico irlandês George Francis Fitzgerald (1851-1901)] e por Lorentz [físico holandês Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928; PNF, 1902)] de Leyden, de que o efeito do movimento do éter através da matéria poderia alterar levemente as dimensões lineares desta ... (Kelvin se refere à contração espacial de Fitzgerald-Lorentz) ... Eu temo que devemos considerar a nuvem I como muito densa. Analisando a nuvem II, Lorde Kelvin quase no final de seu artigo, escreve: As dificuldades conectadas com aplicação da lei da eqüipartição da energia para gases reais [Kelvin se refere à lei da eqüipartição da energia do físico alemão Rudolf Julius Emmanuel Clausius (1822-1888), formulada em 1857] vem sendo sentida há muito. No caso do Argônio, do Hélio e do vapor de Mercúrio, a razão dos calores específicos (1,67) limita os graus de liberdade de cada molécula aos três requeridos pelo movimento de translação. O valor de 1,4 aplicável aos principais gases diatômicos dá lugar aos três graus de liberdade de translação e dois de rotação. Nada sobra para a rotação em torno da linha juntando os átomos, nem para o movimento relativo dos átomos ao longo dessa linha. Mesmo que consideremos os átomos como meros pontos, cuja rotação nada significa, ainda deveria existir energia do último tipo mencionado e a sua quantidade (de acordo com a lei) não deveria ser inferior... Os dois átomos continuam dois átomos e os graus de liberdade permanecem seis em número. O que parece ser desejado é uma escapatória da destrutiva simplicidade dessa conclusão geral. Kelvin conclui então seu artigo, com a frase: A maneira mais simples de chegar a esse resultado desejado é negar a conclusão e, assim, no início do século XX, perder de vista essa nuvem que tem obscurecido o brilho da teoria molecular do calor e luz durante o último quarto do século XIX. Essas “nuvens” supostas por Kelvin, segundo os historiadores da ciência, teriam desencadeado as duas grandes teorias do século XX: Quântica (1900) e Relatividade Restrita (1905). Sobre essas teorias, ver verbete nesta série.

                   Muito embora Kelvin haja considerado apenas essas duas “nuvens” ameaçando o “céu” da Física do final do Século 19, em meu entendimento, pelo menos quatro outras “nuvens” também ameaçavam esse “céu”: 1) a descoberta dos raios-X pelo físico alemão Wilhelm Konrad Roentgen (1845-1923; PNF, 1901), em 1895; 2) a descoberta da separação magnética de linhas espectrais pelo físico holandês Pieter Zeeman (1865-1943; PNF, 1902); 3) a descoberta da radioatividade pelo físico francês Antoine Henri Becquerel (1852-1908; PNF, 1903), em 1896; 4) e a descoberta das leis do efeito fotoelétrico pelo físico húngaro-alemão Philipp Anton von Lenard (1862-1947; PNF, 1905), em 1899. Registre-se que essas descobertas foram tratadas em verbetes desta série.

                   Concluindo este verbete, creio ser oportuno registrar que possíveis “provocantes nuvens” no “céu” da Física Contemporânea e uma conseqüente (ou conseqüentes?) revolução (revoluções?) que elas poderão provocar nesse “céu”. Existem pelo menos quatro dessas novas “nuvens” ameaçando o “céu” da Física Contemporânea. 1) o conceito de localidade e de não-localidade na Teoria de Campo Relativista, conforme alertou o físico francês Olivier Costa Beauregard, em 1982; 2) as  matéria e energia escuras que compõem o Universo, das quais não se sabe de que são formadas [para se ter uma idéia dessa preocupante questão, basta dizer que o nosso Universo é formado de 5% de matéria normal conhecida (bariônica), 25% de matéria escura e 70% de energia escura]; 3) as branas do Universo, ou seja, a existência de mais de quatro dimensões relativísticas (comprimento, largura, altura e tempo) em nosso Universo; 4) e a existência ou não do bóson de Higgs. De um modo geral, essas “nuvens” estão relacionadas com as duas grandes teorias da Física de hoje: Modelo Padrão (baseada na Teoria Quântica), que explica a Física das Partículas Elementares (o micromundo); e a Teoria da Gravitação (baseada na Relatividade Geral), que explica como o Universo se formou (o macromundo). No momento acredita-se que a dissipação dessas “nuvens” acontecerá com a Teoria de Cordas e Supercordas e Teoria-M [sobre essas teorias, ver: Michio Kaku, Introduction to Superstrings and M-Theory (Springer, 1999)], pela qual todas as quatro forças da Natureza (gravitacional, eletromagnética, fraca e forte) serão unificadas em uma única (sobre essa unificação, ver verbete nesta série). No entanto, como nenhum cientista foi e é capaz de prever o futuro, conforme a História da Ciência tem mostrado ao longo de milhares de anos, quem sabe se não surgirá uma Teoria Revolucionária até agora ainda não imaginada?