O ano milagroso de Einstein


Albert Einstein Relatividade Luz Átomo ParticulaNinguém influenciou mais, e de forma mais decisiva, a Física moderna, que Albert Einstein.

O que muita gente não sabe é que grande parte dos fundamentos de tudo o que depois desenvolveu, se resume a uma tese e quatro “papers” ou publicações científicas, cada uma sobre um assunto diferente. Mas mais surpreendente é que tudo isso se passa exactamente no mesmo ano, enquanto ainda trabalhava no Gabinete Suíço de Patentes! A esse ano podemos chamar o “ano milagroso de Einstein”!!!

Albert Einstein, circa 1905, o ano milagroso!O mito de que enquanto estudou, Einstein era um zero a matemática e física é falso e advém exclusivamente de efectivamente ter tido problemas (e chumbado) nestas disciplinas no Politécnico de Zurique, onde pretendia fazer a sua formação como professor de ciências.

O facto é que Einstein já dominava completamente o Cálculo Matemático e a Física da época, desde a sua adolescência. Acontece, porém, que Einstein tinha uma certa dificuldade em tratar os professores com a deferência e o protocolo que, à época, era exigido e isso não facilitou que os professores aceitassem a sua permanente ausência e desinteresse pelas suas aulas, sobre matérias que já dominava a um nível superior, e despendesse a maior parte do seu tempo nos laboratórios do Politécnico, completamente submerso pelas suas próprias pesquisas e dúvidas, alheio às matérias leccionadas.

Foi isso que gerou o mito, e que o levou também a não poder terminar aí o curso, tendo como consequência que a partir de 1902, fosse obrigado a trabalhar no Gabinete de Patentes, em Berna. Ora, se isto foi um falhanço nas suas ambições académicas, foi também o que lhe deu tempo para o amadurecimento das ideias sobre as suas pesquisas anteriores e sobre as grandes dúvidas sobre física, que o intrigavam.

A tese de doutoramento

E foi também aí que, em 1905, apenas com 26 anos, Einstein escreveu o primeiro artigo científico de apenas 23 páginas, onde desenvolve um método relativamente novo para medir as quantidades relativas de moléculas e o seu peso, intitulado “Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen” (“Uma nova determinação das dimensões moleculares”). Einstein apresenta esta este artigo, como tese, à Universidade de Zurique, para completar os seus estudos. A tese é considerada completamente revolucionária e com isso recebe o seu Ph.D (doutoramento) daquela universidade em 15 de Janeiro de 1906.

A primeira publicação cientifica – a dualidade onda-partícula

O primeiro artigo publicado, em Março de 1905, na revista alemã “Annalen der Physik” (onde publicou também os artigos seguintes), é revolucionário. Einstein intitula-o “Sobre um ponto de vista heurístico relativo à produção e transformação da luz”. Neste artigo Einstein sugere que a luz tem massa, comportando-se portanto não só como uma onda (o que a Física assumia desde Maxwell, ainda que estranhamente para os físicos apresentasse uma velocidade de propagação constante, contrariando a lei de formação de velocidade das ondas), mas (e aqui está a genialidade!) também como uma partícula (dualidade onda partícula). A sua massa é proporcional à sua energia.

Fotões - quantas de radiação - Teoria QuanticaE vai mais longe, demonstrando ainda que as inconsistências e aparentes contradições entre as equações de Maxwell (há muito estabelecidas para as ondas) e a proposta (de 1900, portanto contemporânea) de Max Plank (para resolver o enigma dos corpos negros), a hipótese dos quanta de luz (hipótese quântica de Max Plank),  só deste modo poderiam ser resolvidas.

Efeito Foto-electricoDe notar que sobre estas contradições, Max Plank mais não achava do que considera-la uma pequena esquisitice matemática, apesar de que dar o passo para considerar a luz uma partícula seria quase inevitável e o passo lógico para uma mente como a de Einstein.

Einstein demonstra ainda que fenómenos como o efeito fotoeléctrico só assim podem também ser explicados.

Curiosamente o director da revista alemã em que Einstein publica é precisamente Max Plank. Na altura, a ideia foi simplesmente ridicularizada, incluindo por Max Plank que a despreza e tentou ignorar. Mas o facto é que Einstein estava 20 anos adiantado em relação ao seu tempo, e a dualidade onda-partícula vem a tornar-se a pedra angular da Teoria Quântica e posteriormente da Mecânica Quântica.

Segunda publicação científica – Movimento Browniano
Os átomos existem?

Movimento brownianoAinda no mesmo ano de 1905, em maio, Einstein publicou um segundo artigo, bastante subtil, sobre o movimento browniano, até aí intrigante para a Física, em que demonstra que este pode ser integralmente explicado pelo choque de moléculas e de átomos dos fluidos (ou gases) circundantes, com as partículas muito pequenas (de fumo ou pólen., por exemplo) em suspensão, e que a energia cinética e a temperatura (e portanto o calor) de átomos e moléculas estão intimamente relacionadas: a energia cinética das moléculas manifesta-se na temperatura.

Einstein aplica portanto a teoria Atómica e Molecular, e calcula também a dimensão e peso atómico e molecular. O artigo fornece uma prova teórica da existência de átomos e moléculas e é decisivo para, ao contrário do que tinha acontecido até aí, a aceitação generalizada dessa teoria, nos anos seguintes.

A terceira publicação científica – Relatividade!

Em Setembro de 1905, aparece o terceiro artigo de Einstein,  intitulado “eletrodinâmica dos corpos em movimento“, o qual é ainda mais revolucionário, porque a intuição de Einstein vai quebrar com a física newtoniana. Há muito que uma contradição física o atormentava: se a mecânica newtoniana estabelecia como principio, que vinha já desde Galileu, de que o movimento absoluto não podia ser definido,  pelo contrário a teoria electromagnética estabelece precisamente o contrário!

Einstein analisa a propagação e natureza da luz e percebe que a contradição pode ser resolvida se for a velocidade da luz a manter-se constante,  independentemente do referencial considerado, e considerar o espaço e o tempo relativos ao observador (e ao seu referencial). Daí resulta que Einstein ataca a assumpção de um espaço e tempo absoluto, conforme definido pela mecânica newtoniana e declara que a constante é a velocidade da luz (independentemente do referencial), sendo espaço e tempo relativos, e dependentes do referencial do observador. A ideia foi desenvolvida rapidamente por Einstein, que trabalhou os detalhes, e daí resulta aquilo que hoje é conhecido como Teoria da Relatividade Especial.

Teoria da relatividade

O artigo estabelece ainda a equivalência de massa e energia, abordando a natureza constante da velocidade da luz, o que acaba definitivamente com a teoria do “éter” como seu meio de propagação, e estabelece como resultado a equivalência entre a variação de energia e a variação da massa, ΔE = Δmc², que mais tarde originará a mais famosa e conhecida equação da física moderna!

A quarta publicação científica
Equivalência Massa Energia

Einstein E=mc2 massa e energia velocidade da luz ao quadradoO último artigo, deriva do artigo anterior, e é publicado imediatamente após, em Setembro de 1905. Einstein, pensando mais profundamente nos detalhes da sua teoria, apercebe-se que a relação entre massa e energia é bem mais profunda do que pensara antes, e entende que, de facto, massa e energia são equivalentes.

Este artigo é intitulado “A inércia de energia“, e termina com a famosa equação que relaciona Energia com Massa através da constante (o quadrado da velocidade da luz): E = mc².

O Vídeo

É precisamente sobre esse ano de 1905 que fala o vídeo “Einstein’s miracle year”, uma lição de Larry Lagerstom, publicada pelo TED-Ed – Lessons Worth Sharing.

Vale a pena ver o vídeo:

Referência

TED-Ed: Lessons Worth Sharing

L’année miraculeuse d’Einstein : 1905
Albert Einstein – Wikipedia
Movimento Browniano – Wikipédia
Antiga Teoria Quantica de Max Plank – Wikipedia
Equações de Maxwell e teoria Electromagnética – Wikipédia
Teoria da Relatividade Restrita ou Teoria Especial da Relatividade – Wikipedia

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