A visão iluminada de Einstein

Em 1905, um jovem físico desconhecido alterou para sempre o que entendemos como espaço e tempo. E foi além: propôs que a luz ‒ tida até então como uma onda ‒ era também formada por partículas. Os desdobramentos desses feitos foram imensos para a física.

A luz talvez seja um dos entes mais fundamentais no universo. Ela pode ser observada em grande faixa de comprimentos de ondas, de centenas de metros (ondas de rádio) até escalas tão pequenas quanto o tamanho de um núcleo atômico (10-12 m). Mas nossos olhos percebem apenas uma diminuta porção do espectro eletromagnético, a faixa denominada visível, cujo comprimento de onda varia de 400 a 750 nanômetros (um nanômetro é um bilionésimo de um metro).

A natureza da luz foi discutida desde os primórdios da humanidade, até que, no início da segunda metade do século 19, o físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) demonstrou que a luz era uma manifestação de campos elétricos e magnéticos que se propagavam como ondas por todo o espaço.

O físico de origem alemã Albert Einstein (1879-1955) ‒ que, curiosamente, nasceu meses antes da morte de Maxwell ‒ sempre teve fascínio pela luz. Relatou em cartas que, quando tinha 16 anos e morava em Aarau (Suíça), ao ler sobre as ideias de Maxwell, imaginou como seria se ‘cavalgássemos’ um raio de luz.

Sua conclusão sobre esse ‘experimento imaginário’ levou-o à relatividade restrita, teoria publicada em 1905 na qual Einstein mudou para sempre nossas concepções sobre espaço e tempo. A partir daí, essas duas grandezas deixavam de ser absolutas ‒ como defendia a física newtoniana ‒ e passavam a ser relativas, ou seja, dependiam de cada observador. Mais: o tempo poderia dilatar, e o espaço se encurtar, fenômenos que foram, desde então, comprovados com precisão em experimentos.

Mas o que nos interessa aqui é outro dos cinco artigos excepcionais publicados por Einstein em 1905. Nele, apresentou o que classificou como sua “ideia mais revolucionária”, ao propor algo radical sobre a natureza da luz. Com o título ‘Sobre um ponto de vista heurístico a respeito da produção e transformação da luz’, o trabalho introduzia a ideia do quantum de luz, no qual a luz é composta por pequenos ‘pacotes’ de energia.

Posto de modo simples, Einstein fez a seguinte analogia: embora a matéria nos pareça contínua, ela é feita de átomos, e algo semelhante se passaria com a luz, que poderia ser também composta de partículas.

Nesse mesmo artigo ‒ e mais uma vez motivado pelo conceito de quantum de energia, apresentado em 1900 pelo físico alemão Max Planck (1858-1947) e segundo o qual a energia é gerada e absorvida não de forma contínua, mas em diminutos ‘pacotes’ ‒, Einstein propôs calcular a variação do ‘grau desordem’ (entropia) de um gás ‘especial’: formado por partículas de luz, em vez de átomos. Nesses cálculos, obteve uma fórmula relacionando energia e frequência ‒ posteriormente, identificada como a que Planck havia obtido.

Einstein aplicou esse resultado para explicar o efeito fotoelétrico, fenômeno (então, controverso) observado décadas antes pelo físico alemão Heinrich Hertz (1857-1894) e no qual a luz arranca elétrons da superfície dos metais. Mais tarde, essa fórmula de Einstein também foi confirmada. Foi a ideia do quantum de luz ‒ posteriormente, batizado fóton ‒ que deu a Einstein o prêmio Nobel de Física de 1921.

A ideia do fóton foi de fundamental importância para o estabelecimento da teoria quântica, que mostrou que as partículas também se comportam ora como ondas, ora como corpúsculos (matéria), levando ao conceito de dualidade onda-partícula.

A percepção iluminada de Einstein sobre a luz se mostrou essencial para termos uma nova visão do universo.

Adilson de Oliveira

Departamento de Física,
Universidade Federal de São Carlos (SP)

Matéria publicada em 02.03.2020

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