A Evolução da Ciência - Einstein e Infeld

A Evolução da Ciência - Einstein e Infeld

(Parte 1 de 5)

Este clássico da divulgação cien- tífica, divulgação que os «puristas» têm vindo, ao longo do tempo, a con- siderar como supérflua ou, até, im- possível, foi, e continua a ser, um livro básico para a compreensão - a nível do grande público, evidente- mente - da física moderna e, em particular, da teoria da relatividade. O admirável trabalho de colaboração entre Leopold Infeld e Albert Eins- tein, no qual a modéstia dos verda- deiros sábios não desempenha menor lugar que o seu imenso saber, veio, com efeito, abrir a muita gente pers- pectivas de maravilha sobre o livro cifrado que a Natureza incessante- mente nos vai dando a ler! por ALBERT EINSIEIN e LEOPOLD INFELD

«O esforço para ler o grande ro mance policial da Natureza é vel!lo rorno o próprio pensamento humano. Mas há apenas uns três séculos que OS estudiosos começaram a com- preenda a língua em que o livro está escrito. E a partir desse tempo

-a *a de Wleu e Newton- a leitaira passou a fazer-se com ra- pidez. Foramse desenvolvendo t6c- nicas de invaitigação, métodos sis- tem6ticos de descobrir e seguir pistas. Alguns dos enigmas ~ecebe- ram sdução -embora muitas solu- ções fossem p~ecárias e acabassem abandonadas em consequência de posteriores pesquisas.

Um problema fundamental, e por milhares de anos completamente obddo p&s suas próprias com- plicações, é o do movimento. Todos os movimentos obçmáveis na Na- tureza - o da pedra lançada pma o ar, o do navio que sulca as águas, o do automóvel que roda pela es- trada - são na realidade muito com- plicados. Para comp~eendê-10s temos que começar pelos casos mais sim- ples e gradualmente irmos subindo. Consideremos um corpo em repouso, no qual não haja nenhum movi- mento. Paira mudar a posição desse corpo t necessário que sobme ele exerçamos alguma influência - em- puirrá-10, erguê-lo ou deixar que outros corpos, ho os cavalos ou os motms, o façam. A nossa ideia intuitiva do movimento comelacio- naa a actos de puxar, empurrar, le- vantar. Expexiênoias muito repetidas fazem-nos arriscar a ideia de que temos de empurrar com mais força, se querwmos que o corpo se mova mais depressa. Parece natural con- cluir que, quantu maior for a acção exercida sobre um corpo, tanto maior será a sua velocidade. A in- tuição diz-nos que a velocidade está essencialmente ligada A acção.»

O desemolvimento das ideias desde os primiivos conceitos até à Rebtiiiade e aos hnta

EDIÇAO aLIVROS DO BRASILn LISBOA Rua dos Caetanos, 2

Tituio da ediçdo origiml:

The growth of idem from early concepts to relativity and quanta

Traduçüo de IONTEIRO LOBATO

Capa de A. PEDRO

Reservados os direltoa pela le~lniação em vigor

Edição Portuguesa feita por acordo com a Companhia Editora Nacional - S. Paulo - Brami1

VENDA INTEFtDITA NA BEPOBUOA FEDERATIVA DOS ESTADOS UNIDOS DO BRASIL

Agradecimentos 5
Prefácio7
SliRTO DA INTERPRETAÇAO MECANICISTA g

1 NDICE

O grande romance mcial, I I -A primeira ph, 13 - Vectores, 18 - 0 enigma do movimento, 25 - Uuna pista que permanece. 57 - E o calor uma substanda?, 41 -A htanha- -russa, 48- h taxa de c%mbio, 51 -O fundo filosófico, 54 - Teoria cinética da maíka, 58

jECLfNIO DA cONCEPÇAO MECANICISTA 67

Os dois fluidos eléctricas, 69- 0s fluidos magnéticas, 78 - Primeira diiiculdiade séria, 82 -A velocidade da luz, 87 -Luz como substância, 89 -0 enigma da cor, 92 -Que é uma cmda?, 95- A teoria ondulat6ria da luz, roo -Ondas lud- nosas langitudh~is ou tu-anwensais, r09 - O &ter e a teoria mecanicista, I I I

C 4MPO. RELATIVIDADE115

O campo wmo representação, I 17 - 0s dois pilares da teoria de campo, 128 -A realidade do campo, 133- Campo e

Bter, 139 - O andaime mecanico, 142 - Eter e movimato, 151 - Tempo. distancia. relatividade, 162 - Relatividade e me- cânica, 175 - 0 contínuo espaçetempo, I& - Relatividade geral, 188- Dentro e fora do elevador. 192-Gieometrila e experihcia, 199 -Relatividade geral e sua verificação, 210 -

Campo e matéria, 214

Continuidadedes~ndnuidride, 223 - 0s aquaaitan elementares de matéria e de electricidade, 225-0s aquantan de luz, 230 -Espectro da luz. 236-Ondõç de matéria. 241 -Probabi-

Ydades-ondulat6rias, 247 -Física e realida&, 258

Desejamos expressar os nossos sinceros agrade. cimentos a quanto5 tão amavelmente nos auxilia- ram na preparação deste livro, particulawnte:

Aos Profs.: A. G. Shenstone, de Rincetown, Nova jersey. e St. Loria, de Lwow. Polónia. pelas fotogra- fias da página 219.

Ao Sr. I. N. Steinberg, pelos seus desenhos.

i DrP M. Phillips, pela revisão do manuscrito c pela sua valiosa cooperação.

Quem pega neste Hvro tem o &Mto de indtigar da ma razüo de ser e de perguntar a que pbbfico se dirige.

No começo da obm não é P&l a resposta; torna-se fdd no fim -ma é jd supérflua. Bem mais simples senZ; &r o que o fivm não é. Não é, por exemplo, um compêndio de ffsica-nada de um cum elementur de teorias e factos ffsicos. A no= intenção pende mais pam um largo esboço das tentativns do espírito humano no apreender as conexdes entre o mundo das ideias e o dos fenómenos. Pam isso pro- cumremos ver as forças activas que compelem a ciência a inventar i&s em cor~espondência com a realidade do nosso mundo. Mas a representuçdo tem que ser simples. No amon- toado de factos e conceitos temos de escolher uma estmda que nos pareça a mais cumcterfstica e significativa. Factos e teorias não alcanpdos por esta estmda serão omitidos. O fim que visamos obriga-nus a fazer uma escoiha bem deli- nida de factos e ideias. A importdncia de um problema ndo depende do número de &ims a ele comqmdas. Deixámos de lado algumas linhas essenciais de pensamento; não que as considerássemos sem imprtdncia, mas poryue não se achavam à beim do caminho.

Durante a feitura do livro, lonps debates tivemos a pre yósito das características do leitor idealizudo, ponto que muito nos preocupou. lmcigindms um leitor de gmndes qualidades. mas por completo desconhecedor da física e das matemáticas; interessado, entretanto, em ideias fisicas e filosólicas - e muito admiramos a paciência desse leitor nas passaps menos interessantes e mais penosas. lmaginúmos um leitor que sabe que, pam entender qualquer pdgina do livro, tem de kr cui& dosamente as precedentes. Um leitor que sabe que um livro de ciência, embora popular, não pode ser lido como se ]&em OS romances.

Trata-se de uma simples convem entre nós, de um lado. e esse leitor imaginário, do outro. Poderá ele achar a obra interessante ou maçadora, excitante ou sonolenta - mas o nosso objectivo terá sido atingida se lhe dermos uma ideia da luta sem fim em que o espfrito humano se empenhou para u compreensão das leis que regem os fenómenos ffsicos.

SURTO DA IWTERPR~AÇÁO MfCANICISIA SURTO DA IWTERPR~AÇÁO MfCANICISIA mrn~pai~~ie3E69ttnei~o.k~ mance Jnosaai todos os fios da n~eada ou piseas essenciais, e canipele-nos a fcmnu~lw a nossa teoria pd sobre o caso. Se seguirmos cuidadmente o emdo, por nós pdprios descobriremos a solução, ,antes que o autor nela desvende no fim do lim. E, além de nos apmm no momento exacto em que a espeaa~nos, não #nos diesaponta- ao contrário do que se d nos mistérios vulgares.

Ser-nos& possível mpam o leitor de tai romance aos cientistas ,que através de sucessivas geqões continuam a procurar a chave dos mistérios do liwo da Natuma? A com- parayão é faka; terá -s tarde de ser abandonadaL. mas possui uma parcela de justificaqão que pode ser ahgada e modificada com proveito para 4 dqo da ciência no decifrar dos mistérios do Universo.

O grande romance policial do Universo está ainda m solução. E nem sequer podemos afirmar que comporte solu- ção. A sua ieitura já nos deu (muito; ensinou-nos os dhm- tos & língua da Natureza. habilitou- a apreender nume- m fios da meada, e ttm sido uma fonte de excitação e deleite na penosai maarhn da ciência. Ptircebemos, entn%mto, que, apesar de todos os volumes lidos e campmndidm, estaunos ainda muito longe da soluqão completa -se é que existe. Em cada, edgio procimrmm encontrar explicação que harmonize os pontos j4 descobertos. Teorias hipotéticas têm explicado muitos fartas, mas nenhuma solução gerd, que reúna tados os fios, apa1wa-a ainda. Frequentemente urna teoria na apartncia perfeita mostra-se falha logo que a leitura do grande livro proaregue. Novas factos surgem que a contra- dizem ou não são por ela explicados. Quanto mais leimos a Natureza, mais lhe apremdeimos ai perfeiqão - embora a solu- ção do enigma se afaste com essa, maiar leitura.

Em todos os romances policiais, desde as primorosos de

cadeira preguipsa, de cachimbo na boca, até queSanto

Conm Doyle, momento chega em que o detective reúne todo6 os elementos de que nmssita para resolver pelo menos parte do problema. Esses elementos podm parecer muito estranhos entre si, e incoemtes. O arguto detective, mímtmto, sente que bamm, e que apenas pela força do pensamento poder& ligá-los todos num conjunto wlucionador. E vem então a hora em que os Sklocks pegam do violino ou se estiram na De& HCR1IP1CQ't h- Não 96 mooniitraan a explicação paira os factos já cdigidos, como deduza que umas tantas cob devem ter oconado. E como saibem agora para onde se dirigir. pdm, se querem, coiigir anais faams comprovatWo5 das suas tearies. Mas o cientista que 1ê o livro da Natureza tem que achar a solução por si mesmo; aião pobe, como o te i&or de nodtis, saltar paginas para ver o Mecho, Para obter uma soluqão, ainda que parcial, o cientista sendo ao mesmo íennp leitor e pesquida rem de reunir factos e à força de pensa- mento Iógiao coorden&IÚs, coerente .e extensivaanaxte.

O nosso objectivo, nas &iÙia~ que se seguem, é descrever em largos traqos a obra dos fkk06, que às con- jectura, às «Muçães» do detective. Preocupar-haçernos. sobretudo, aam o papei do pensamento e das ideias na wen- turosa caça de soluções denim do muda físico.

A PRIMElk4 PISTA

O esfarço paira ler o gramde romance policial da Nama é velho como o próprio pensamto h-0. Mas há apenas uns três sécuios que os estudiosos com- a1 compreender a língua em que o livro está dto. E a partir desse tempo - a épaca de Galileu e Newton -a leitura passou a fazer-se com rapidez. Fora'm-se desenrvolvendo técnicas de hvestiggão, m6todos sistemáticos de descobrir e seguir pistas. Alguns dos enigma6 receberam solução -embora muitas soluqões fossem precdrias e acabassem abandonadas em consequência de pos- teriores pesquisas.

Um problema fundamental, e por milham de anaç com- pletamente . obscurecido pelas suas próprias complicayões, é o do movimento. Todos os movimentos observáveis na Natureza- o da pedra lqdz para o ar, o do navio que wlca as águas, o do au&el que roda pela estrada-são na realidade muito carnplicados. Para compeendê-los tema que comeqar pelos casos mais simples e graduahnente irmos subinao. Consideremos um corpo em repouso, no qual não haja nenhum movimento. Pam mudar a pasiqão desse corpo é necessário que sobre ele exqãmos alguma influh&- empurrá-lo, erguê-lo ou deixar que outros corpos, como os cavalos ou os motores, o façam. A nossa ideia intuitiva do movimento correlacionm a actos de puxar, empurrar, levan- tar. Experiências muito repetidas fazem-nos amscas a ideia de que temos de empurrar cam mais força, se queremos que o corpo se mova mais depressa. Parece natural concluir que, quanto maior for a acção exercida sobre um c-, tanto maior será a sua velocidade. Um carro de quatro camlos vai mais depressa que uun de dais. A fntuicão diz-nos que a veloci- dade está essen~ia~lmente ligada, à acção. *

Os leitores de novelas sherlockiamas sabem camo as pistas fdsas perturbam a história e atrasam a solução. O método de raciocinar ditado pela intuigão era1 uma pista mada qw levou a ideias &as sobre o movimento, as quais perduraram pr &uh. A grade autoridade de Arist6teies foi tailvez a causa principail dai longa fé no intuito. Na Mecdnica, que há dois mil anos C atribuída a esse fiósafo, lemos o seguinte:

O corpo em movimento estaciona quando a força que o impele cessa de agir.

A dacoberta e o emprego do raciocínio científico, que demos a Galileu, foi um dos mais hprtamtes triunfos regis- tados na história do pensamento humano - e mmaun o verda deiro começo dai ciência fisicá~ Ensina-nos essa descoberta que as conclusões intuitivas baseadas na obsewaqão imediata nem sempre merecem fé, porque muitas vezes levam a pistas emdas.

Mas como erra a intuição? Poderá ser erro dizer que um carro de quatro animais deve radar mais depressa que um de apenas dois?

Examinemos mais de perto as factos fundamentais do movimento, tomando como ponto de partida simples experiên- cias de todos ,os dias, familiares ao hamem dde os começos da Civilização e adquiridas na árdua luta peb existência.

Suponhamos que algh vai por ma estrada plana a empurrar um aninho e subitamente pare de empd-10. Antes de imobilizar-se, o cmrinho ainda se mover4 até curta distância'. Surge a pergunta: como será pdvd aumentar essa distância? Há vários meios: mitm o eixo, tomar a estrada. mais lisa. Quanto mais lisa for a estrada e mais maciamente giram as rodas, maior será a distância per- comida. E que acontecieu em consequênch do azeiíamenito do eixo e do alisaunemo da estrada? Apenas isto: diminuição das influências externas. O efeito do que chamamos atrito dhi- nuiw, tan~to no contacto do eixo m a rodas, mo no das rodas com o chão. Isto já C uma hterpn%yão te6rica da evidência obsewárel -tuna interpretação, na realidade, arbi- - trAsria. Se clermos )mais um passo à frente, entraremos na pista cwta. Imaginemos uma estrada perfeitamemie lisa e um sis- tema de eixo e rodas em que não haja nenhum atrito. Neste caso, nada interferiria no caminho. o qual daria perpetua- mente. Formulam esta cmclusão unicamente por força do pensamento, iàealizamh uma experiência que não pode ter realidade, visto ser im~vel eliminar todas as influências externa. Mas esra experiência iddizada dá-nos a' base me- cânica{ do movimento.

A compa~rqão dos dois métodos de abordar o problema permite-nos dizer: a ideia intuitiva é que quanto for a x@o tanto maior será a velocidade. Assim, a velocidade indica se há ou, não forças externas actuando sobre o corpo. Gdileu mostrou mais ccmectarmieate que, se iun corpo não é puxado ou i'mpelido, nem influenciado de qualquer maneira (ou, mais sinteticamente, se nenhuma força externa actua sobre ele), esse corpo se move uniformemente, isto 8, sempre com a mesma vdocida& e em linha recta. Sendo mim, a velocidade não indica que forças externas estejam ou não agindo sobre o corpo. A conclusão de Gdileu foi mais tarde fornuladai spx Isaac Newton nos aennnos da lei i dainércia. Tomou-se umai das primeiras coisas que de física castumamos decarar na escola:

Todos os corpos se conservam em estado de repouso, ou em movimento uniforme em linha recta, salva se fonim com- pelidos a sair desse estado por acção de forças exercidas sobre ele.

Já vimos que esta lei da inércia não pode ser directamente deduzida de qualquer experiência; decarre do pensamento especultùtivo baiseâdo na observação. A experiência ideal que o caso exigia, conquanto não passa ser realizada, leva-nos a uma profunda compreensão das experiências redizáveis. Da variedade de movimentos complexos que nos cerca vamos tornair, para, nosso primeiro exemplo, o ccmovimenito uniforme)). É o mais simples, porque wrti livre de farças extemas actuantes. Mas o Imovimento uniforme ngo pode ser nxdizado; ai pedra que cai de umai torre ou o aninho empur- rado na estrada não lpodem, nunca, ~mwere de modo absalu- tamente uniforme, parque é hpoaIivd eliminamos a influên- cia das forças externas.

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