Matemática

A última cartada de Einstein

Cientistas conseguiram imobilizar por bilionésimos de segundo o rubídio, obtendo o quinto estado da matéria, comprovando na prática o que dizia o cientista Albert Einstein em 1925.

Você tem bastante familiaridade com três estados da matéria: líquido, sólido e gasoso. Você ainda não se acostumou direito com a existência do quarto estado, mas ele já está identificado pela ciência desde a década de 50. É o plasma. Um exemplo? O Sol, que é uma bola de plasma. Pois agora, em julho, pesquisadores norte-americanos encontraram o quinto estado da matéria. Eles conseguiram imobilizar, por bilionésimos de segundo, 2 000 átomos de rubídio. Assim, imóveis, os átomos entraram no quinto estado. Lendo esta reportagem, você vai entender o que é isso. Mas o físico alemão Albert Einstein, morto em 1955, já havia definido esse estado em teoria. Isso em 1925! Das grandes idéias lançadas pelo gênio, era a única que ainda não tinha sido demonstrada. Agora, passados mais de 70 anos, está provado: Einstein estava certo.

Por Flávio Dieguez

Até o século XIX, era muito simples. Os estados da matéria eram três: sólido, líquido e gasoso. No século XX, surgiram dois outros. O quarto, chamado de plasma, não causou grande sensação porque era relativamente simples. Lembrava um gás muito quente, no qual o calor havia desmanchado todos os átomos, separando os seus núcleos dos elétrons que os cercam. O resultado era um gás de núcleos e elétrons, em vez de átomos inteiros como nos gases comuns. O Sol e todas as outras estrelas são assim, grandes esferas de plasma.

A descoberta do quinto estado, em contrapartida, foi um anúncio revolu-cionário. O mundo soube de sua existência num texto publicado por Einstein em 1925. Com esse trabalho, Einstein fechou com chave de ouro uma investigação cujo resultado final tornava iguais a matéria comum, composta por átomos, e a luz, que até a virada do século era apenas um enigma. Em poucas palavras, Einstein disse que, em certas condições, a matéria comum poderia se comportar como a luz.

Essa previsão foi demonstrada em laboratório somente agora uma proeza de dois físicos americanos, Carl Wieman, da Universidade do Colorado, e Eric Cornell, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, também no estado do Colorado. Eles tiveram de criar um frio extremo, uma das situações em que o quinto estado surge. Usando uma minúscula amostra de apenas 2 000 átomos de rubídio, um metal prateado sem uso comercial, bateram todos os recordes de resfriamento. Quase alcançaram o zero absoluto, que corresponde a 273 graus Celsius abaixo de zero. Se a marca fosse atingida, os átomos estariam totalmente parados. Mas, embora seja impossível atingir o zero absoluto, o rubídio chegou muito, muito perto: ficou apenas 150 bilionésimos de grau acima da imobilidade total. Então, foi como se os átomos se desmanchassem, porque deixaram de agir como partículas e adotaram o comportamento de uma onda luminosa.

Não é que aquele conjunto de átomos vire luz. É que ele passa a se comportar como se fosse um feixe de luz. Para entender esse fenômeno, é importante mergulhar num dos fascinantes conceitos da Física moderna. Ela define o átomo não apenas como partícula, mas também como onda. Que diabo de onda é essa? É simples. Átomos estão permanentemente em movimento. Sempre. A questão é saber que trajetória ele descreve, a posição exata em que ele se encontra a cada instante, e a que velocidade ele se desloca. Na busca dessas respostas, os físicos perceberam que podiam apontar as velocidades e as posições dos átomos por meio de equações matemáticas usadas para descrever as trajetórias de ondas comuns como a do som. Essas ondas davam a probabilidade de as partículas, em cada instante, ter uma certa velocidade ou posição.

Em temperaturas normais, ou aquecidas, os átomos se movem desordenadamente, e suas ondas são bem complexas. Como um corre-corre em praça pública. É o que se vê em todos os outros estados da matéria. Um corre-corre em maior ou menor grau. Mas, com o intenso resfriamento e a conseqüente lentidão dos movimentos, o que se verificou é que aqueles 2 000 átomos de rubídio ficaram cada vez mais comportados. Suas ondas cresceram muito, e aí se juntaram, formando um grande e único vagalhão. Bem de acordo com a teoria de Einstein.

Essa união é que produz o quinto estado da matéria: um concentrado de átomos marcando passo em ordem unida. É como se fosse um só átomo, um átomo gigante, disse Eric Cornell à SUPER. Não há nada parecido em nenhum lugar do Universo conhecido. Com a sua experiência bem-sucedida, Cornell e Wieman estão abrindo as comportas de tecnologias que hoje nem podemos imaginar.

De que tipo de matéria seria feita a luz? No século passado se imaginava que ela fosse uma onda e ponto. O problema é que ondas não são uma coisa, mas o movimento dessa coisa. Pense nas ondas do mar, que são um movimento da água, ou no som, que é um movimento do ar. A luz, então, teria de ser obrigatoriamente o movimento de uma substância hipotética, imaginada apenas para justificar o conceito de que a luz era uma onda. A essa substância foi dado o nome de éter (para os gregos, o éter designava a quintessência, substância que não era água, nem terra, nem ar e nem fogo.)

No começo do século XX, viu-se que a luz existia também no vácuo. Problema de novo: no vácuo não havia nada que uma onda pudesse balançar. É por isso, aliás, que as ondas de som não se propagam no vácuo. O conceito de éter também encalhou porque ninguém conseguia detectá-lo.

Foi então que Einstein entrou em cena. Em 1905 ele mostrou que a luz tinha um caráter ambíguo. Ela agia como uma estranha onda. Mas em outras circunstâncias deixava ver que era feita de algum tipo de átomo, mais tarde chamado de fóton. Vinte anos adiante, Einstein afirmaria também o oposto: que um gás comum pode se comportar como uma onda luminosa quando atinge o quinto estado.

O pontapé inicial para descobrir que a luz é composta de átomos foi dado, sem querer, pelo alemão Max Planck, em 1900. A questão era a seguinte: se um raio de luz é decomposto em cores, cada cor carrega uma parte da energia original do raio. Exemplo: a 5 000 graus Celsius, a temperatura da superfície do Sol, a maior parte da energia fica com o amarelo. Por isso, ele é amarelo (veja o infográfico ao lado). Planck queria uma fórmula para explicar essa distribuição da energia. Ini- cialmente, bateu cabeça tratando a luz como uma onda. Não chegou a lugar nenhum. Afinal, resolveu repartir a energia da luz em pequenos pacotes (cada pacote recebeu o nome de quantum), como se fossem minúsculas partículas, e matou a charada. Ou melhor: começou a matá-la.

Planck, é bom deixar claro, não sabia bem o que estava fazendo. A repartição da luz em pacotes (os quanta) foi quase um ato de desespero, como descreveriam depois os alemães Jagdish Mehra e Helmut Rechenberg, historiadores da ciência. Coube a Einstein sugerir a hipótese de que a luz era composta por algum tipo de átomo. Isto é, que ela não tinha uma estrutura contínua como acontece com as ondas comuns mas tinha uma estrutura composta de partícula.

O trocadilho é irresistível: foi uma idéia luminosa. O fóton, nome dado ao átomo de luz, tem várias propriedades em comum com os átomos de matéria. O que dá para a luz o aspecto de onda (e este é o ponto genial) é o comportamento ondulatório dos fótons. As ondas do mar movimentam os átomos da água. As ondas de som movimentam os átomos do ar. A luz, não: ela não movimenta os átomos dos outros, mas constitui-se das ondulações dos seus próprios átomos. Ou seja: os átomos também se movimentam como ondas. Da noite para o dia, Einstein se afirmou, junto com Planck, como fundador da mecânica quântica, um ramo da Física que se desenvolveu a partir dos quanta.

Daí para a frente, os fótons viraram a coqueluche da pesquisa de ponta. Graças a eles, descobriu-se que os elétrons giram em torno dos átomos, um feito extraordinário do dinamarquês Niels Bohr em 1911. Em 1925, o francês Louis de Broglie empregou-os para deduzir fórmulas mais precisas das ondas de matéria. Einstein, porém, não aceitava os rumos que sua própria invenção estava tomando nas mãos de outros pesquisadores. E se dedicou integralmente a aprimorar sua teoria da relatividade.

A descoberta do quinto estado da matéria não foi exatamente um motivo de alegria para Albert Einstein. Sua reação foi fria. O físico e historiador da ciência americano Abraham Pais, em seu livro Sutil é o senhor, lançado este ano no Brasil, cita uma carta em que Einstein fala do quinto estado: A teoria é bonita, mas será que contém alguma verdade? Sua dúvida se referia ao método que havia utilizado, o cálculo das probabilidades.

O que se fazia, já antes de Einstein, era mais ou menos o seguinte: em vez de procurar saber que velocidade tinha um determinado átomo dentro de um gás um desafio perfeitamente impossível de se vencer , os pesquisadores lançavam mão das probabilidades para saber qual era a velocidade média do conjunto todo. Ou, no máximo, quantos átomos (aproximadamente) dentro daquele conjunto tinham uma certa velocidade.

Einstein retomou esse método, ampliou-o para outras aplicações e se tornou um mestre incontestável nos anos seguintes. Mas ele achava que era apenas um recurso útil, na falta de uma teoria precisa e consistente.

O caminho aberto por Einstein no campo das probabilidades possibilitou a criação da mecânica quântica, uma das duas principais vertentes da Física contemporânea. Depois, ela tomou caminhos que sofreram restrições de Einstein, mas ele reconhecia sem discutir que ela funcionava esplendidamente. Mesmo porque muitas idéias contidas nela tinham vindo da sua outra teoria, a da relatividade.

A contribuição mais conhecida da relatividade à mecânica quântica é a equação E = mc2, na qual E representa a energia, m é a massa e c é a velocidade da luz (que aparece ao quadrado na fórmula). Significa o seguinte: se você esquentar um bloco de ferro, ele fica mais pesado, porque a energia do calor se transforma em massa. Com a equação dá para calcular o aumento do peso do ferro: menos de 1 bilionésimo de grama, se a temperatura subir 100 graus. Aqui a diferença é desprezível, mas numa bomba atômica é a massa que vira energia, e o resultado é uma explosão avassaladora.

Da mesma forma que a mecânica quântica, a relatividade também nasceu das pesquisas sobre a luz no século passado. Só que, nesse caso, o ponto de partida não foi a estrutura atômica da luz e sim a sua velocidade, que é diferente da velocidade de qualquer outra coisa no Universo.

Começando do começo: imagine dois homens atirando uma pedra a 20 quilômetros por hora em um mesmo alvo. Agora imagine que um dos homens está parado e o outro está dentro de um carro (ele atira a pedra no exato momento em que passa pelo homem parado).

Que pedra chega primeiro ao alvo? Claro: a que foi atirada pelo homem de dentro do automóvel, porque a velocidade da pedra se soma à do carro. Se o carro estiver a 80 quilômetros por hora, não é difícil perceber que a pedra correrá para o alvo a 100 quilômetros por hora, vencendo facilmente a corrida.

Agora imagine que, em vez de atirar uma pedra, os homens acendem seus faróis na direção do alvo. Os dois acendem seus faróis no mesmo instante, a distâncias idênticas. E aí vem o paradoxo: a luz do farol em movimento chega lá exatamente ao mesmo tempo que a luz do farol que está parado. Dezenas de experiências, no século passado, confirmaram esse fato, deixando os físicos sem saber o que fazer.

Einstein teve a sabedoria de aceitar esse comportamento singular da luz e investigar as enormes conseqüências que ele teria para a Física. Uma das mais estranhas conclusões a que ele chegou a é a de que o tempo passa mais devagar em um relógio em movimento, comparado a um relógio parado.

Na década passada, o mundo foi surpreendido por uma descoberta sensacional a respeito de um fenômeno conhecido desde o início do século. Em condições de frio extremo, de menos 270 graus Celsius, os metais podem se tornar supercondutores: significa que deixam passar eletricidade sem oferecer nenhuma resistência. A corrente elétrica fica ali para sempre, até ser usada por alguém. Mas, devido à dificuldade de se reduzir a temperatura na medida adequada, a supercondutividade recebeu pouca atenção.

Foi então que em 1986 os cientistas viram a eletricidade correr sem resistência numa pastilha de cerâmica a uma temperatura de menos 250 graus, e agora já é possível construir supercondutores em condições tórridas, perto de zero grau. E não é só isso: alguns pesquisadores acreditam que uma coisa está ligada à outra. Isto é, dentro dos supercondutores pode haver átomos dançando em unís-sono como aqueles que estão no quinto estado da matéria..

O mesmo se pode dizer da superfluidez, situação em que um líquido sob frio severo começa a fazer coisas esquisitas. Como subir por conta própria pelas paredes do recipiente em que está. Existem mesmo especulações de que o quinto estado, apesar de já não existir no Universo, pode ter tido uma breve existência nos primeiros bilionésimos de segundo do Big Bang (a explosão que teria dado origem ao Universo).

Claro, tudo isso são conjecturas, especulações. Por enquanto, a tarefa número 1 dos físicos é procurar re-petir e, se possível, melhorar a experiência dos americanos Eric Cornell e Carl Wieman. Já existem doze equipes em vários países prontas para isso, conta o físico americano Gary Taubes. E muitos outros devem entrar no páreo rapidamente.

Há pelo menos uma inovação já em vista: descobrir que cara tem o quinto estado. Tudo depende de como os átomos nessas circunstâncias vão interagir com a luz. As apostas variam bastante. Eles podem se tornar opacos a ponto de dar ao conjunto um tom negro profundo. Ou podem refletir um brilho de prata. O próprio Wieman vai recriar o quinto estado e, antes de ele se desfazer, iluminá-lo com um pulso ultra-rápido de laser, para ver sua cor.

É o começo da corrida para ver no que vai dar a última cartada do gênio alemão. Cada uma de suas cartadas mudou conceitos e até a nossa capacidade de imaginar aonde é que o conhecimento humano pode chegar. Em 1905, ele havia feito apenas a primeira parte da teoria da relatividade, na qual analisava o movimento de átomos e estrelas, e já causou uma reviravolta. Mas deixava de fora um ponto essencial: as forças responsáveis por aqueles movimentos. Em 1916, outra reviravolta: depois de passar muitos anos matutando, achou um meio de investigar a força da gravidade. Justamente a mais importante de todas. Como está presente em toda parte, é ela que governa o movimento e a forma dos planetas, estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias.

Por isso, ao incorporar a força gravitacional, a teoria da relatividade deu ao homem o meio de estudar a evolução do Universo a partir do Big Bang. A relatividade também foi capaz de prever a existência de astros totalmente diferentes de todos os outros:buracos negros, tão densos que nem a luz pode escapar à sua imensa força gravitacional (veja o infográfico). A comprovação do quinto estado da matéria começa uma outra reviravolta. Nem um pouco menor do que as outras.

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