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8 de dezembro de 2021 ·
E se Einstein nunca existisse?
Mesmo sem o maior cientista de todos os tempos, cada um de seus grandes avanços científicos ainda teria ocorrido. Eventualmente.
Por Ethan Siegel.
Se você pedir a uma pessoa comum para nomear um cientista de qualquer época ou lugar da história, um dos nomes mais comuns que você provavelmente ouvirá é Albert Einstein. O físico icônico foi responsável por um número notável de avanços científicos durante o século 20, e talvez sozinho derrubou a física newtoniana que dominou o pensamento científico por mais de 200 anos.
Sua equação mais famosa, E = mc², é tão prolífica que mesmo pessoas que não sabem o que ela significa podem recitá-la. Ele ganhou o Prêmio Nobel por avanços na física quântica. E sua ideia de maior sucesso - a teoria geral da relatividade, nossa teoria da gravidade - permanece invicta em todos os testes, mais de 100 anos depois que Einstein a propôs pela primeira vez.
Mas e se Einstein nunca tivesse existido? Outros teriam aparecido e feito exatamente os mesmos avanços? Esses avanços teriam ocorrido rapidamente ou teriam demorado tanto que alguns deles poderiam ainda não ter ocorrido? Seria necessário um gênio de igual magnitude para concretizar suas grandes realizações? Ou superestimamos severamente o quão raro e único Einstein era, elevando-o a uma posição imerecida em nossas mentes com base no fato de que ele simplesmente estava no lugar certo na hora certa com o conjunto certo de habilidades? É uma questão fascinante de explorar. Vamos mergulhar.
Física antes de Einstein.
Einstein teve o que é conhecido como seu “ano milagroso” em 1905, quando publicou uma série de artigos que viriam a revolucionar uma série de áreas da física. Mas um pouco antes disso, um grande número de avanços ocorreram recentemente que colocaram muitas suposições arraigadas sobre o Universo em grande dúvida. Por mais de 200 anos, Isaac Newton permaneceu incontestado no reino da mecânica: tanto no reino terrestre quanto no celestial. Sua lei da gravitação universal aplicava-se tão bem a objetos no Sistema Solar quanto a bolas rolando colina abaixo ou balas disparadas de um canhão.
Aos olhos de um físico newtoniano, o Universo era determinista. Se você pudesse escrever as posições, momentos e massas de cada objeto no Universo, você poderia calcular como cada um deles evoluiria para precisões arbitrárias a qualquer momento no tempo. Além disso, o espaço e o tempo eram entidades absolutas, e a força gravitacional viajava a velocidades infinitas, com efeitos instantâneos. Ao longo de 1800, a ciência do eletromagnetismo também foi desenvolvida, descobrindo relações intrincadas entre cargas elétricas, correntes, campos elétricos e magnéticos e até a própria luz. De muitas maneiras, parecia que a física estava quase resolvida, dados os sucessos de Newton, Maxwell e outros.
Até, isto é, não era. Havia quebra-cabeças que pareciam sugerir algo novo em muitas direções diferentes. As primeiras descobertas de radioatividade já haviam ocorrido, e percebeu-se que a massa foi realmente perdida quando certos átomos decaíram. Os momentos das partículas em decaimento não pareciam corresponder aos momentos das partículas originais, indicando que algo não foi conservado ou que algo invisível estava presente. Determinou-se que os átomos não eram fundamentais, mas constituídos de núcleos atômicos com carga positiva e elétrons discretos com carga negativa.
Mas havia dois desafios para Newton que pareciam, de alguma forma, mais importantes do que todos os outros.
A primeira observação confusa foi a órbita de Mercúrio. Enquanto todos os outros planetas obedeciam às leis de Newton até o limite de nossa precisão em medi-los, Mercúrio não o fez. Apesar de contabilizar a precessão dos equinócios e os efeitos dos outros planetas, as órbitas de Mercúrio falharam em corresponder às previsões por uma quantidade minúscula, mas significativa. Os 43 segundos de arco extras por século de precessão levaram muitos a hipotetizar a existência de Vulcano, um planeta em uma orbita inferior a de Mercúrio, mas nenhum estava lá para ser descoberto.
O segundo foi talvez ainda mais intrigante: quando os objetos se moviam perto da velocidade da luz, eles não obedeciam mais às equações de movimento de Newton. Se você estivesse em um trem a 100 milhas por hora e jogasse uma bola de beisebol a 100 milhas por hora na direção para frente, a bola se moveria a 200 milhas por hora. Intuitivamente, isso é o que você esperaria que ocorresse, e também o que ocorre quando você realiza o experimento por si mesmo.
Mas se você estiver em um trem em movimento e direcionar um feixe de luz para a frente, para trás ou em qualquer outra direção, ele sempre se moverá na velocidade da luz, independentemente de como o trem está se movendo. Na verdade, também é verdade, independentemente da rapidez com que o observador que observa a luz se move.
Além disso, se você está em um trem em movimento e joga uma bola, mas o trem e a bola estão viajando perto da velocidade da luz, a “adição” não funciona da maneira como estamos acostumados. Se o trem se move a 60% da velocidade da luz e você joga a bola para frente a 60% da velocidade da luz, ele não se move a 120% da velocidade da luz, mas apenas a ~ 88% da velocidade da luz. Embora pudéssemos descrever o que estava acontecendo, não podíamos explicar. E foi aí que Einstein entrou em cena.
Os avanços de Einstein.
Embora seja difícil condensar todas as suas realizações em um único artigo, talvez suas descobertas e avanços mais importantes sejam os seguintes.
A equação E = mc²: Quando os átomos decaem, eles perdem massa. Para onde vai essa massa se não for conservada? Einstein tinha a resposta: ele é convertido em energia. Além disso, Einstein tinha a resposta correta : ela é convertida, especificamente, na quantidade de energia descrita por sua famosa equação, E = mc². Funciona da outra maneira também; desde então, criamos massas na forma de pares matéria-antimatéria a partir de energia pura com base nesta equação. Em todas as circunstâncias em que foi testado, E = mc² foi um sucesso.
Relatividade especial: quando os objetos se movem perto da velocidade da luz, como eles se comportam? Eles se movem de várias maneiras contraintuitivas, mas todas são descritas pela teoria da relatividade especial. Há um limite de velocidade para o Universo: a velocidade da luz no vácuo, na qual todas as entidades sem massa no vácuo se movem com precisão. Se você tem massa, nunca pode alcançar, mas apenas se aproximar dessa velocidade. As leis da relatividade especial ditam como os objetos que se movem perto da velocidade da luz aceleram, adicionam ou subtraem em velocidade, e como o tempo se dilata e o comprimento se contrai para eles.
O efeito fotoelétrico: quando você direciona a luz do sol direta para um pedaço de metal condutor, ele pode expulsar os elétrons mais frouxamente retidos. Se você aumentar a intensidade da luz, mais elétrons serão disparados, enquanto se você diminuir a intensidade da luz, menos elétrons serão disparados. Mas é aqui que fica estranho: Einstein descobriu que não era baseado na intensidade total da luz, mas na intensidade da luz acima de um determinado limite de energia. A luz ultravioleta só causaria a ionização, não visível ou infravermelha, independente da intensidade. Einstein mostrou que a energia da luz era quantizada em fótons individuais e que o número de “fótons ionizantes” determinava quantos elétrons eram disparados; nada mais faria isso.
Relatividade geral : esta foi a maior e mais difícil revolução de todas: uma nova teoria da gravidade governando o Universo. O espaço e o tempo não eram absolutos, mas constituíam um tecido através do qual todos os objetos, incluindo todas as formas de matéria e energia, viajavam. O espaço-tempo se curvaria e evoluiria devido à presença e distribuição de matéria e energia, e esse espaço-tempo curvo dizia à matéria e à energia como se mover. Quando posta à prova, a relatividade de Einstein teve sucesso onde Newton falhou, explicando a órbita de Mercúrio e prevendo como a luz das estrelas se desviaria durante um eclipse solar. Desde que foi proposta pela primeira vez, a Relatividade Geral nunca foi contradita experimentalmente ou observacionalmente.
Além disso, houve muitos outros avanços que o próprio Einstein desempenhou um papel importante na iniciação. Ele descobriu o movimento browniano; ele co-descobriu as regras estatísticas sob as quais as partículas de bóson operavam; ele contribuiu substancialmente para os fundamentos da mecânica quântica por meio do paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen; e ele provavelmente inventou a ideia de buracos de minhoca pela ponte Einstein-Rosen. Sua carreira científica de contribuições foi verdadeiramente lendária.
A física teria avançado igualmente sem Einstein?
E, no entanto, há muitos motivos para acreditar que, apesar da carreira incomparável que Einstein teve, todo o conjunto de avanços que foi feito por Einstein teria sido feito por outros em muito pouco tempo sem ele. É impossível saber com certeza, mas apesar de tudo que elogiamos "o gênio de Einstein" e o consideramos um exemplo singular de como uma mente incrível pode mudar nossa concepção do Universo - como ele, de fato, realmente fez - muita coisa que ocorreu por causa de Einstein teria ocorrido sem ele.
Antes de Einstein, na década de 1880 , o físico JJ Thomson, descobridor do elétron, começou a pensar que os campos elétrico e magnético de uma partícula carregada em movimento deviam levar energia consigo. Ele tentou quantificar a quantidade dessa energia. Era complicado, mas um conjunto simplificado de suposições permitiu a Oliver Heaviside fazer um cálculo: ele determinou a quantidade de "massa efetiva" que uma partícula carregada carregada era proporcional à energia do campo elétrico (E) dividida pela velocidade da luz (c ) ao quadrado. Heaviside tinha uma constante de proporcionalidade de 4/3 que era diferente do valor verdadeiro de 1 em seu cálculo de 1889, assim como Fritz Hasenöhrl em 1904 e 1905. Henri Poincaré derivou independentemente E = mc² em 1900, mas não entendia as implicações de suas derivações.
Sem Einstein, já estávamos perigosamente próximos de sua equação mais famosa; parece irreal esperar que não teríamos chegado lá em pouco tempo se ele não tivesse aparecido.
Da mesma forma, já estávamos extremamente próximos da relatividade especial. O experimento de Michelson-Morley demonstrou que a luz sempre se move a uma velocidade constante e desmentiu os modelos de éter mais populares. Hendrik Lorentz já havia descoberto as equações de transformação que determinavam como as velocidades eram adicionadas e como o tempo se dilatava, e independentemente junto com George FitzGerald, determinou como os comprimentos se contraíram na direção do movimento. De muitas maneiras, esses foram os blocos de construção que levaram Einstein a desenvolver a teoria da relatividade especial. No entanto, foi Einstein quem o elaborou. Novamente, é difícil imaginar que Lorentz, Poincaré e outros que trabalharam na interface do eletromagnetismo e da velocidade da luz não teriam dado saltos semelhantes para chegar a essa conclusão profunda. Mesmo sem Einstein, já éramos muito próximos.
O trabalho de Max Planck com a luz preparou o terreno para a descoberta do efeito fotoelétrico; certamente teria ocorrido com ou sem Einstein.
Fermi e Dirac calcularam as estatísticas para férmions (o outro tipo de partícula, além dos bósons), enquanto Satyendra Nath Bose as calculou para as partículas que levam seu nome; Einstein era apenas o destinatário da correspondência de Bose.
A mecânica quântica, sem dúvida, teria se desenvolvido tão bem na ausência de Einstein.
Mas a relatividade geral é a grande. Com a relatividade especial já sob seu controle, Einstein começou a se dobrar na gravidade. Enquanto o princípio de equivalência de Einstein - a compreensão de que a gravitação causava uma aceleração e que todas as acelerações eram indistinguíveis para o observador - foi o que o levou até lá, com o próprio Einstein chamando-o de "seu pensamento mais feliz" que o deixou sem conseguir dormir por três dias, outros estavam pensando na mesma linha.
* Poincaré aplicou a relatividade especial à órbita de Mercúrio, descobrindo que ele poderia ser responsável por cerca de ~ 20% da precessão "extra" observada ao dobrá-la.
* Hermann Minkowski, ex-professor de Einstein, formulou a ideia de espaço-tempo, tecendo espaço e tempo juntos em um "tecido" inextricável.
* Simon Newcomb e Asaph Hall modificaram a lei da gravitação de Newton para explicar a precessão de Mercúrio, dando uma dica de que uma nova teoria da gravidade resolveria o dilema
* Talvez o mais convincente seja o fato de o matemático David Hilbert também brincar com a geometria não-euclidiana, formulando o mesmo princípio de “ação” de Einstein para o movimento no contexto da gravidade, onde o princípio de ação leva às equações de campo de Einstein. Embora Hilbert não tivesse as implicações físicas corretas, ainda hoje a chamamos de ação Einstein-Hilbert .
De todos os avanços que Einstein fez, este foi o que seus colegas estavam mais atrasados quando ele o lançou. Ainda assim, embora possa ter levado muitos anos ou mesmo décadas, o fato de que outros já estavam tão perto de pensar precisamente nas mesmas linhas de Einstein nos leva a acreditar que mesmo se Einstein nunca tivesse existido, a relatividade geral teria caído no reino do conhecimento humano.
Normalmente temos uma narrativa de como a ciência avança: aquele indivíduo, por meio de um golpe de gênio, identifica o avanço ou a forma de pensar chave que todos os outros perderam. Sem aquele único indivíduo, a humanidade nunca teria adquirido aquele conhecimento notável que foi armazenado.
Mas, quando examinamos a situação em maiores detalhes, descobrimos que muitas pessoas muitas vezes estavam se intrometendo nessa descoberta um pouco antes de ela ser feita. Na verdade, quando olhamos para trás através da história, descobrimos que muitas pessoas tiveram percepções semelhantes umas às outras quase ao mesmo tempo. Alexei Starobinskii juntou muitas das peças da inflação antes de Alan Guth; Georges Lemaître e Howard Robertson montaram o Universo em expansão antes do Hubble; e Sin-Itiro Tomonaga elaborou os cálculos da eletrodinâmica quântica antes de Julian Schwinger e Richard Feynman.
Einstein foi o primeiro a cruzar a linha de chegada em várias frentes científicas independentes e notáveis. Mas se ele nunca tivesse aparecido, muitos outros estavam logo atrás dele. Embora ele possa ter possuído todos os traços de gênio deslumbrante que muitas vezes atribuímos a ele, uma coisa é quase certa: o gênio não é tão único e raro como costumamos supor que seja. Com muito trabalho árduo e um pouco de sorte, quase qualquer cientista devidamente treinado pode fazer um avanço revolucionário simplesmente por tropeçar na realização certa no momento certo.
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/science-einstein-never-existed/
