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ano miraculoso de Einsteincem anos da publicao dos artigos que
mudaram a fsica
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2005 foi escolhido pela unio interna cional de fsica pura e
aplicada como o ano mundia l da fsica deciso, a lis, sancionada
pela organizao das naes unidas a pedido do re presen-
tante brasileiro nesse organismo.
a razo foi celebrar os 100 anos dos trabalhos feitos por albert
einstein
em 1905. naquele ano, ele ajudou a mostrar, por exemplo, que a
ma tria
formada por tomos, que massa e energia so grandezas equiva
lentes
por meio de sua famosa frmula e = mc2 e que a luz tem uma
cons-
tituio corpuscular.
tantos traba lhos importantes e revolucionrios em um s ano
mere-
cem, sem dvida, ser lembrados sempre. assim, aproveitamos este
neste
captulo para fa lar um pouco desses traba lhos que mudaram to
profun-
damente nossa viso do macro e mi crouniverso e da vida de
einstein,
certamente um dos maiores cientistas de todos os tempos.
16. | a EfEmridE | beRo, livRo e chaRuto | ano miRacu loso
17. | o EfEito fotoEltrico | eltRons que saltam
| PaRtcu las De luz | iDia mais RevolucionR ia
19. | a tEsE | o mais obscuRo |acaR com gua | o mais citaDo
20. | o moVimEnto BroWniano | ziguezague eRRtico
| atRavs De um micRoscPio | RealiDaDe De tomos e molcu las
22. | a rElatiVidadE | assombRaDos Pelo teR | Dois Postu
laDos
| Reviso RaDical | e=mc2| RestR ita
24. | a Vida | a infncia | a juventuDe | em beRna | em
beRlim
| em PR inceton
27. | o contEXto | cR iativiDaDe e caminhos | fama munDial
28. | EinstEin hoJE | laseR e tomo gigante | buRacos negRos
e onDas gRavitacionais | Dimenses extRas | no munDo nano
EDITORES CIENTFICOS | Joo dos Anjos (Centro Brasileiro de
Pesquisas Fsicas/MCT) | Ildeu de Castro Moreira (Instituto de
Fsica/Universidade Federal do Rio de Janeiro)
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torre do relgio de berna.
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a EfEmridE
BEro, liVro E charuto
rua Kramgasse, 49, Berna, sua, 1905. no segundo an -
dar, fica um apartamento modestamente decorado, refle -
xo do baixo poder aquisitivo de seus moradores. um varal
com roupas midas corta a sala. o inquilino, um tcnico de
3a classe do escritrio de patentes da cidade, embala com
uma mo o bero de seu filho e com a outra empunha um livro
aberto. na boca, um charuto de pssima qualidade, cuja fu-
maa se junta fuligem que verte do fogo.
ano miraculoso
Certamente, um ambiente pouco propcio prtica da cin-
cia. Mas foi nele, h cem anos, que um jovem de 26 anos
pro duziu nas horas vagas e isolado da comunidade cien t -
f i ca cinco artigos e uma tese de dou torado. todos traba-
lhos de altssimo nvel. eles muda riam para sempre a face da
f sica. seu nome: Albert
einstein. seu feito fez com
que 1905 ficasse conhecido
como Ano Miraculoso (An-
nus Mirabilis).
-
o EfEito fotoEltrico
Eltrons QuE saltam
naquele incio de sculo, o chamado efeito fotoeltrico no
qual a luz (radiao eletromagntica) arranca eltrons
de certos metais ainda intrigava os fsicos. Abaixo de cer ta
freqncia da luz incidente, por maior que fosse a in tensi -
da de luminosa, eltrons no conseguiam escapar do metal.
quando se aumentava a intensidade da radiao, esperava-
se, como previa a teoria, que eltrons mais energticos saltas
-
sem. Porm, notava-se apenas um aumento na quantidade de
partculas ejetadas, todas dotadas da mesma energia. Ao se
aumentar a freqncia da luz incidente indo da luz
visvel para o ultravioleta, por exemplo , os eltrons tambm
se tornavam mais energticos. A explicao para isso tudo
escapava fsica da poca.
partculas dE luZ
tentativas tericas j haviam sido feitas para solucionar
a dis pa ridade entre teoria e ex pe rimento. Mas foi o artigo
so-
bre um ponto de vista heurstico rela tivo produo e trans-
formao da luz, de 17 de maro portanto, o primei ro conclu-
do naquele ano que resolveu o problema. ne le, einstein ado-
tou uma hiptese aparentemente simples: a luz formada por
partculas (os quanta de luz, que passaram, em 1926, a ser
chamados ftons). A energia da radiao vem, portanto, em
paco tes (ftons). Com isso, o efeito fotoeltrico ganhou uma
explicao que podia ser testada experimental mente: aumen-
tar a intensidade da luz significa apenas aumentar o nmero
de
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Diploma do prmio nobel de einstein
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ftons de mes ma energia que incidem sobre o metal. Aumen -
tar a freqncia da luz torna os ftons mais ener g ticos, pois
sua
energia, pela proposta de einstein, proporcional fre qncia
e isso faz com que os eltrons ganhem mais ener -
gia nas colises com os ftons que os ejetam.
idia mais rEVolucionria
A idia de que a luz tem natureza corpuscular foi classifi ca
-
da por einstein como a mais revolucionria de sua vida. em
1915, o fsico norte-americano robert Millikan (1868-1953),
ao
contrrio do que pretendia inicial-
mente, chegou a resul ta dos que
confirmavam a previso de eins-
tein sobre o efeito foto e l trico. Foi
principalmente por essa previso
quan tita ti va mente correta que
einstein ganhou o nobel de 1921
o prmio no cita quanta de
luz, cuja rea lidade era ain da
controversa. Po rm, as dvidas
comearam a ser dizima das em
1923, com a descoberta do
efeito Compton no qual a luz,
ao se chocar contra um el-
tron, compo r ta-se como um
corps cu lo, perdendo energia
e com os experimentos conduzi dos, dois anos depois, pelos
fsicos ale mes Hans Geiger (1882-1945) e Walther Bothe
(1891-1957) e tambm com os resultados dos nor te-americanos
Arthur Compton (1892-1962) e Alfred simon.
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membros fundadores da academia olmpia
a tEsE
o mais oBscuro
uma nova determinao das dimenses moleculares. esse
o ttulo do trabalho mais obscuro daquele ano, finalizado
em 30 de abril. Com ele, einstein obteve, em 15 de janeiro
de
1906, o ttulo de doutor pela uni versidade de Zurique. nessa
tese, einstein apresentou um novo mtodo para determinar,
entre outras grandezas, os raios de molculas.
acar com Gua
einstein usou como modelo o acar dissolvido na gua e
obteve boa concordncia com os dados ex pe rimentais dis-
ponveis na poca. ele formulou um modo indi reto que per-
mitia estimar as dimenses de mo lculas dissolvidas em um
lquido, bastando, para isso, conhecer a viscosida de do l-
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o moVimEnto BroWniano
ZiGuEZaGuE Errtico
em 1827, o botnico escocs robert Brown (1773-1858) verifi-
cou que gros de plen na superfcie da gua, quando obser-
vados no microscpio, apresentavam um ziguezague errti-
co. o fenmeno passou a ser conheci do como movimento
browniano e, com einstein, se tor nou uma evidncia experi-
mental importante da existncia de molculas, assunto ain-
da controverso no incio do sculo passado.
20
quido no caso, antes e depois da dissoluo do a car
e como as molculas nele imersas se espalham (difundem).
o mais citado
Ainda em 1901, einstein havia enviado universidade de
Zurique outra tese, mas retirou-a, no ano seguinte, de pois
de ser alertado de que o trabalho poderia ser rejeitado pe
la
fal ta de dados experimentais que com provassem seus resul-
tados tericos. A tese de 1905 se tornaria seu tra ba lho
mais
citado na literatura cientfi ca moderna. razo: tem gran de
aplicao em outras reas, da f si co-qumica construo
civil, da inds tria de alimentos ecologia.
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atraVs dE um microscpio
o artigo Movimento de partculas em suspenso em um flui-
do em repouso como conseqncia da teoria cintica mole-
cular do calor ou, simplesmente, Movimento Browniano,
como mais conhecido um desdobra mento da tese. Foi
recebido para publicao em 11 de maio de 1905. nele, eins-
tein inferiu que essa movimentao desordena da era ocasio-
nada pelos choques da partcula com as molculas do fluido,
invisveis ao microscpio e agitadas em razo de sua energia
trmica, que medida pela temperatura. einstein previu qual
seria o deslocamento mdio da posio de cada partcula,
ocasionado pelas colises com as molculas de gua. isso
poderia ser medido com a ajuda de um microscpio.
rEalidadE dE tomos E molculas
Poucos anos depois, com base nesse artigo, o fsico francs
Jean Perrin (1870-1942) obteria os resultados experimen -
tais que dizimariam as dvidas sobre a realidade
fsica dos tomos e das molculas.
em 1913, Perrin declarou:
A teoria atmica
triunfou. einstein
terminou um segun-
do artigo sobre o mo-
vimento brow niano no
final de 1905. ele foi re-
cebido para pu blicao em
27 de dezembro e s seria publicado no ano
seguinte, tambm na Annalen der Physik.
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a rElatiVidadE
assomBrados pElo tEr
o som uma onda (mecnica) e, portanto, precisa de um
meio (gasoso, lquido ou slido) para se propagar. raciocnio
semelhante levou hiptese de que era necessrio um meio
que preencheria todo o espao para servir de suporte
propagao da luz e das outras ondas eletromagnticas.
no final do sculo 19, o chamado ter, no entanto, passou
a assombrar os fsicos, que no conseguiam determinar
suas propriedades mecnicas e nem mesmo o movimento da
terra em relao a ele.
dois postulados
recebido para publicao em 30 de junho de 1905, o artigo
sobre a eletrodinmica dos corpos em movimento declara-
ria a morte do ter com base em dois postulados: i) as leis
da
fsica so as mesmas para observadores inerciais, ou seja,
que se movem sem acelerao (princpio da relatividade);
e ii) a velocidade da luz no vcuo (cerca de 300 mil km/s)
sempre a mesma, independentemente de a fonte emissora
estar parada ou em movimento, ou seja, a velocidade da luz
uma constante da natureza.
rEViso radical
A adoo desses dois postulados levou a uma reviso radical
das noes sobre o espao e o tempo. em termos simples
e com base em fenmenos do cotidiano, pode-se dizer que:
i) o relgio de um passageiro dentro de um vago em movi-
mento andar mais devagar quando comparado quele da
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estao esta a chamada dilatao temporal; ii) o compri-
mento de um vago em movimento parecer mais curto
quando medido por algum parado na plataforma esta a
chamada contrao espacial; e iii) o que parece simultneo
pa ra um passageiro no vago em movimento pode pa recer
no ter ocorrido ao mesmo tempo para uma pessoa na plata-
forma este o problema da si multa neidade. no entanto,
esses fenmenos s so significativos e podem ser medi-
dos quando nosso vago imaginrio se aproxima da velo-
cidade da luz no vcuo. nas velocidades a que estamos
acostumados no dia-a-dia, esses efeitos so imperceptveis.
E=mc2
em setembro de 1905, eins tein percebeu outras conseqn cias
dos dois postulados. em um artigo de trs pginas, A inrcia
de um corpo depende de seu contedo ener gtico?, deduziu
a frmula mais famosa da cincia: e = mc2. ela indica que
quantidades mnimas de massa (m) no caso, multiplicada
pe la ve lo cidade da luz ao quadrado (c2) podem gerar enor-
mes quantidades de energia (e).
rEstrita
unidos, esses dois artigos passaram a ser denominados
teoria da relatividade restri ta restrita, no caso, por
lidar
apenas com situa es em que os observadores no esto
acelerados. Por fim, preciso dizer que o matemtico francs
Hen ri Poincar (1854-1912) e o fsico holands Hen drik
lorentz
(1853-1928) j haviam deduzido muitas das expresses ma-
temticas contidas nos dois artigos e influenciaram fortemen
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te o trabalho de einstein.
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a Vida
a infncia
einstein nasceu em 14 de maro
de 1879, uma sexta-feira, s
11h30 da manh, em lm (sul da
Alemanha). Foi o primeiro filho
de Hermann (1847-1902) e Pau-
line einstein (1858-1920) dois
anos depois, nasceria Maja
(Maria, 1881-1951), sua irm e
ltimo filho do casal. em 1880,
a famlia mudou-se para Munique, e seu pai montou um pe-
que no negcio de produtos eletro me cnicos. einstein ingres-
sou em uma escola catlica da cidade, onde se mostrou um
aluno tmido, porm apli cado. Mais tarde, foi es tu dar no
Gi-
nsio luitpold, cujo mtodo de ensino clas sificaria como
mili tar. Continuou a ser bom aluno, apesar de ter difi-
culdades com lnguas, principalmente grego.
a JuVEntudE
em 1896, ma triculou-se no curso de formao de professores
de matemtica e fsica da escola Politc ni ca de Zurique nes-
sa poca, renun ciou cidadania alem. na gra duao, faltou
a muitas aulas para estudar por conta prpria e passou nos
exames com ajuda das anotaes de um colega de classe,
Marcel Gros smann (1878-1936). sua futura mulher, Mileva
Maric (1875-1948), era sua colega de turma e parceira em
dis-
cusses sobre fsica nesse perodo.
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na pgina anterior, einstein ainda criana. direita, mileva com os
fi lhos, eduard e hans
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Em BErna
depois de formado, einstein deu aulas particulares para se
manter, formando nesse perodo um grupo de discusso sobre
filosofia e cincia, a Academia olmpia, com dois colegas. em
1902, arrumou um emprego como tcnico de 3a classe do es-
critrio de Patentes em Berna. no ano seguinte, casou-se com
Mileva, com quem, pouco antes, havia tido uma filha,
lieserl,
nas cida no incio de 1902 e cujo destino at hoje desconhe-
cido. o casal teria mais dois filhos: Hans Albert
(1904-1973),
que se tornaria um re no mado engenheiro hidrulico e um dos
maiores especialistas em sedimentos do sculo passado, e
eduard (1910-1965), que, esqui zo frnico, morreria em uma
clnica psiquitrica na sua.
Em BErlim
em 1909, einstein pediu demisso do escritrio de Pa ten tes
para se tornar professor de fsica terica da universida de de
Zurique. Mais tarde principalmente por questes finan-
ceiras , transferiu-se para a uni ver sidade Alem de Praga
para, pouco depois, voltar Po litcnica, onde um cargo de
EINSTEIN
ARCHIVES
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assistente havia sido ne gado a ele em 1900. em 1913, foi
con-
vidado a tornar-se membro da prestigiosa Academia Prussia-
na de Cincias e professor da universidade de Ber lim. em
1915, terminou a relatividade geral, uma extenso dos traba-
lhos de 1905 que continha uma nova teoria da gravitao.
Em princEton
em 1932, aceitou proposta de trabalho no recm-fun dado
instituto de estudos Avanados, em Princeton (es tados
unidos). deixou a Alemanha por causa da ascenso do na-
zismo ao qual se opunha fortemente e das persegui -
es aos judeus. Viveu em Prin ceton at sua morte, em 18
de abril de 1955, dividindo seus ltimos anos de vida entre
tentativas infru t fe ras para construir uma teoria que per-
mitisse uma descrio
unifi ca da dos fenme-
nos gra vitacio nais e ele-
tromag nticos e uma
profunda dedicao a
causas ligadas paz e
s li berdades civis.
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einstein em Princeton
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LEI
TE L
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o contEXto
criatiVidadE E caminhos
Como um s homem, traba lhan do de forma aparen temente
isola da da comunidade cientfica de sua poca, pde chegar
a tamanha produo e de to alto nvel em um s ano? expli-
car a criatividade de einstein e os ca minhos que o levaram
queles artigos uma tarefa com plexa. preciso considerar
uma mul titude de fatores pessoais e do contexto em que
einstein estava inserido.
fama mundial
em 1919, einstein ganhou fa ma mundial com a com provao
de uma das pre vises da teoria da relatividade geral o
encur-
va mento da luz nas proximidades do sol em um eclipse
solar observado em sobral (Cear) e na ilha de Prncipe, na
costa oeste africana. o momen to fim da Primeira Guerra
Mundial, que havia assombrado o mundo mostrou-se prop-
cio para que os trabalhos de eins tein se des ta cassem. na
dcada de 1920, einstein, j famoso, fez grandes viagens pelo
mundo. em um delas, em 1925, visitou Argentina, uruguai e
passou uma semana no rio de Janeiro, em maio, onde fez
palestras e passeou pela cidade.
einstein com cientistas no instituto oswa ldo cruz, Rio de
janeiro, maio de 1925AC
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EinstEin hoJE
lasEr E tomo GiGantE
os cerca de 300 trabalhos cientficos de einstein aju da-
ram a aprofundar o conhecimento sobre a natureza da
ra diao (luz, por exemplo) e da matria. alguns deles
possi bilitaram, a obteno do laser, em 1960, e previram
um fenmeno no qual um aglomerado de tomos, a bai-
xssimas temperaturas, se comporta como uma entidade
nica, como um tomo gigante. o chamado conde nsado
de bose-einstein foi obtido pela primeira vez em 1995.
Buracos nEGros E ondas GraVitacionais
com base na teoria da relatividade gera l, einstein inau-
gurou, com um artigo de 1917, a cosmologia moderna.
quanto aos buracos negros corpos csmicos que su-
gam luz e matria com voracidade , ele desconfiou de
sua existncia, apesar de terem sido previstos pela mes-
ma teoria. hoje, com o acmulo de evidncias expe-
rimentais indiretas, acredita-se que esses ra los csmi-
cos existam. a rea lidade das ondas gravitacionais,
outra das previses dessa teoria, tambm tida como
certa. supe-se que sejam produzidas, por exemplo, em
colises de buracos negros, exploses de estrelas ou por
corpos que giram em a ltssima velo cidade, como os pul-
sares. experimentos j esto caa de
mais esse fenmeno previs-
to pela relatividade gera l.
Representao de ondas gravitacionais
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condensado de bose-einstein
JILA/
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IVER
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COLO
RAD
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dimEnsEs EXtras
einstein nunca concordou com a maioria dos fsicos que
criaram a fsica qun tica, pois estes viam as probabi li-
dades e a in certeza como caractersticas intrnsecas e
irremovveis do mundo microscpico. muitos consideram
tambm que einstein se equivocou ao dedicar as duas
dcadas finais de sua vida tentativa de unificar o eletro-
magnetismo e a gravitao. outros, porm, a legam que
ele, mais uma vez frente de seu tempo, estava adian-
tando um campo terico que s ganharia noto riedade e
prestgio nestes ltimos anos: a busca de uma teoria uni-
ficada. hoje, as supercordas, teoria em que as partculas
elementares so tratadas como diminutas cordas vibran-
tes em vez de pontos sem dimenso, so a melhor candi-
data para unificar boa parte dos fenmenos da natureza.
no entanto, as supercordas implicam dimenses espaciais
extras e vrias novas partculas elementares, ambas ain-
da sem comprovao experimental.
no mundo nano
einstein tem tambm seu
dedo no que talvez seja a
maior contribuio cientfica
que a fsica e a qumica dos s-
cu los 19 e passado deram ao mun-
do: a prova de que a matria com-
posta por tomos e molculas. hoje, esse conhecimento
a base, por exemplo, para a nanocincia e a na notec nologia,
que englobam projetar, manipular, produzir e montar arte-
fatos com dimenses atmicas e moleculares por meio da
integrao da fsica, da qumica, da bio logia, da engenha-
ria e da inform tica (ver, desta srie, nano cincia e nano-
tecnologia modelando o futuro tomo por tomo).
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CAPA_Livro Desafios da FsicaLivro Desafios da Fsica
