Edição 474 | 05 Outubro 2015

A encantadora (e complexa) realidade

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Ricardo Machado

Aba Cohen Persiano explica as transformações teóricas da física a partir das Teorias da Relatividade Geral e Restrita

Os encantos e fascínios da Teoria da Relatividade vêm de sua própria simplicidade. É uma espécie de fórmula perfeita que não pretende ser insuperável. “A realidade é descrita de modo tão encantador que nos leva a inferir clara e evidentemente o mecanismo da gravidade (que Newton aspirava conhecer); este quinto elemento, a gravidade, deixa de ser uma força mútua entre dois corpos para se transformar numa distorção espaço-temporal que brota ‘mágica e espontaneamente’, como consequência necessária, uma espécie de sinônimo físico, dessa pluri-fusão de grandezas da Natureza”, explica o professor e pesquisador Aba Cohen Persiano, em entrevista por e-mail à IHU On-Line.

Ao colocar a gravidade como um dos elementos centrais para pensar o tempo e o espaço, Einstein abriu caminho para observações mais sofisticadas sobre o universo, que, por sua, vez demonstraram a maneira pela qual o universo segue em expansão. “A expansão do Universo se dá de maneira acelerada, ou seja, no início a rapidez da fuga (na realidade a velocidade de expansão do espaço) era menor do que a observada mais recentemente”, esclarece o professor. Tais estudos permitiram à humanidade pensar sobre o seu espaço (insignificante) na cosmologia universal. “Vivemos numa cultura em que há constante aperfeiçoamento de nosso entendimento do Universo. Cada vez mais nos convencemos de que somos habitantes de um ínfimo planeta perdido no espaço de um Universo que se desintegrará no infinito. Essa percepção nos obriga a pensar de modo humilde em relação à existência e à natureza e a cuidar melhor desse pontinho azul em que vivemos”, propõe Aba Cohen.

Aba Cohen Persiano é graduado em Física pela Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG onde também realizou mestrado em Engenharia Metalúrgica. Doutorou-se no Imperial College da London University e realizou pós-doutorado na Telcon Metals, no Reino Unido, e, também, no Laboratoire Louis Néel - CNRS – Grenoble, França. Atualmente lidera dois grupos de pesquisa na UFMG, onde também é professor associado no Departamento de Física. 

Confira a entrevista.

 

IHU On-Line – O que é a Teoria da Relatividade de Einstein?

Aba Cohen Persiano - Dentre outras teorias desenvolvidas por Albert Einstein,  há duas que receberam a denominação de Teoria da Relatividade - TR, a primeira estabelecida/divulgada em 1905, que Einstein preferia denominar “Teoria das Invariâncias”, foi mais tarde conhecida como Teoria da Relatividade Restrita - TRR; a segunda foi divulgada em 1915 e é conhecida como Teoria da Relatividade Geral - TRG. A teoria de 1905 foi publicada com o título “Sobre a eletrodinâmica dos corpos em movimento” e nela Einstein modificou conceitos rígidos da Mecânica Newtoniana, fazendo com que espaço, tempo e matéria, que eram imutáveis, passassem a ser passíveis de mudanças. Por meio da Teoria da Relatividade Restrita, ele mostrou que o tempo pode dilatar, o espaço encolher e a matéria se converter em energia e vice-versa. Na Teoria da Relatividade Geral Einstein foi muito além, fazendo uma verdadeira “simbiose” entre espaço-tempo-matéria-energia e com isto conseguiu explicar a gravidade. Ambas as teorias criam novos paradigmas indo muito além das propostas de Isaac Newton (século XVII — fundador da Mecânica Clássica), para quem espaço, tempo e matéria eram absolutos (imutáveis) e para quem a gravidade correspondia a uma força de atração mútua entre corpos, cujas peculiaridades foram descritas por uma regra que ele (IN) deduziu, mas cuja origem e mecanismo eram inexplicáveis em seu tempo.

 

IHU On-Line – Quais as diferenças entre as Teorias da Relatividade Restrita e a Geral?

Aba Cohen Persiano - A Teoria da Relatividade Restrita parte da invariância da velocidade da luz no vácuo (c ~ 300 mil km/s, valor imutável na descrição de qualquer observador, esteja ele se movendo ou não relativamente à fonte, esteja esta parada ou não); com isto Einstein aboliu o éter (substância imaginada, em que a luz se apoiaria para viajar pelo espaço) e trabalhou com as descrições/percepções/medidas físicas relacionadas ao espaço, tempo e processos dinâmicos feitas por observadores inerciais, ou seja, que estão parados ou que se movem em linha reta e com velocidade constante; foi também na Teoria da Relatividade Restrita que Einstein mostrou a possibilidade da conversão massa-energia através da expressão E=mc2. 

Por outro lado a Teoria da Relatividade Geral lida com sistemas não inerciais, ou seja, sistemas acelerados, e no seu longo desenvolvimento, entre 1907 e 1915, Einstein criou um dos assuntos de maior complexidade matemática, e também de beleza conceitual, dos mais elaborados que a mente humana já produziu. Foi com esta teoria que Albert Einstein conseguiu explicar o fenômeno da gravidade, um assunto digno de descrição mais elaborada.

 

IHU On-Line – Por que a Teoria da Relatividade é considerada a mais bela das teorias?

Aba Cohen Persiano - Vou dividir a resposta em duas partes: Em primeiro lugar, as flexibilizações de espaço, tempo, massa e energia, expressas pela Teoria da Relatividade Restrita, possibilitaram a criação de novos conceitos e grandezas associados à realidade dos fatos; isto nos permitiu enxergar e trabalhar a Natureza de maneira bastante elegante, conduzindo à fusão, dois a dois, desses quatro conceitos clássicos (Newtonianos) com sua redução a duas novas grandezas: o espaço-tempo e a matéria-energia. De um total de quatro conceitos clássicos passamos a trabalhar com dois conceitos híbridos. Por exemplo, a fusão do tempo ao espaço nos permitiu entender a realidade podendo variar desde uma situação com espaço imutável e tempo “fluido” (objeto parado) até uma situação que tende a um tempo imutável e espaço “fluido” (quando v se aproxima de c); por outro lado, em lugar de dois princípios, o de conservação da massa e o de conservação da energia, um novo paradigma foi estabelecido, com a troca destes pelo princípio de conservação da massa-energia, governado pela expressão E=mc2. 

A elegância da Teoria da Relatividade Restrita

Em segundo lugar, a elegância da Teoria da Relatividade Restrita se transforma num verdadeiro “passe de mágica” quando mergulhamos no campo da Teoria da Relatividade Geral: a despeito da complexidade das equações da Teoria Geral (um conjunto de dez sistemas de equações diferenciais parciais de segunda ordem, denominadas equações de campo), o que era elegante (na TRR) é levado ao extremo, quando a TRG funde num conceito único aqueles quatro conceitos/grandezas da Física Clássica de modo que espaço-tempo-matéria-energia constitui — no singular — uma realidade única e indissociável de todo o Universo. A partir dessa união é possível mostrar que nas proximidades de qualquer matéria ponderável/massa — esteja ela onde estiver, tenha ela o valor tiver — o espaço “simbioticamente” encolhe, o tempo se arrasta mais lentamente e até mesmo a luz/energia flui de modo diferenciado naquela região. A realidade é descrita de modo tão encantador que nos leva a inferir clara e evidentemente o mecanismo da gravidade (que Newton aspirava conhecer); este quinto elemento, a gravidade, deixa de ser uma força mútua entre dois corpos para se transformar numa distorção espaço-temporal que brota “mágica e espontaneamente”, como consequência necessária, uma espécie de sinônimo físico, dessa pluri-fusão de grandezas da Natureza.

 

IHU On-Line – De que forma a Teoria da Relatividade proporcionou uma revolução não somente científica, mas também paradigmática de interpretação do Universo, do mundo e das relações humanas?

Aba Cohen Persiano - A Física Clássica, erguida a partir da Mecânica Newtoniana, perdurou por cerca de dois séculos e permitiu à humanidade trabalhar com a Natureza de modo preciso, como um relógio perfeito. Esse alto grau de confiança deu sustentação à Revolução Industrial e os conceitos de espaço, tempo e matéria absolutos (imutáveis), tomados como base de sustentação da Física Clássica até o início do Século XX, eram tidos como “dogmas” tanto no mundo da Ciência quanto na sociedade. No entanto, alguns fenômenos observados ao final do século XIX, como a invariância da velocidade da luz, não tinham sustentação pela teoria Newtoniana. 

O tempo

A realidade de o tempo “fluir” de modo mais lento, o espaço encolher, a matéria desaparecer ou surgir era algo inimaginável até que Einstein demonstrou que isto, mais que uma possibilidade, era uma necessidade do mundo real. No campo da Ciência essas mudanças paradigmáticas poderiam ruir a base de sustentação das maravilhas propiciadas pela Física Newtoniana. O que ocorreu na realidade foi que, em vez de ruptura, tivemos uma ampliação daquela base para uma situação muito mais rica e arrojada. Não foi fácil para Einstein sustentar suas ideias nos primeiros anos, em especial no tocante à Teoria da Relatividade Restrita, cujas provas (conversão massa-energia) tiveram que esperar mais de duas décadas. 

Aos poucos os físicos foram aceitando a realidade dos fatos e a própria sociedade se acostumou. Hoje a energia nuclear é uma realidade do nosso cotidiano, quando uma conversão matéria-energia em uma central nuclear é capaz de propulsionar turbinas geradoras de eletricidade; do mesmo modo existe uma necessidade imperiosa de se fazer correções relativísticas visando à sincronia dos relógios de corriqueiros aparelhos GPS em relação aos relógios dos satélites de referência, sem a qual não manteríamos o conhecido alto grau de precisão tecnológica. 

Ano Internacional da Luz

Mesmo que um grande número de pessoas não saiba, e o Ano Internacional da Luz tem em seus objetivos trazer esses esclarecimentos, essa realidade nos foi apresentada no início do século passado e, como partícipes dessa realidade, temos obrigação de saber, pois ela incorpora nossas vidas no presente. Nesse sentido estão sendo organizados em todo o planeta diversos eventos e cursos, como os que elaboramos  de modo a conscientizar um maior número de cidadãos deste Terceiro Milênio.

 

IHU On-Line – Do que se tratava a constante cosmológica de Einstein e por que ele a considerava, inicialmente, um “erro”? De que forma a física teórica do século XXI revisa essa questão?

Aba Cohen Persiano - Na época da publicação da Teoria Geral, o Universo conhecido se limitava à Via Láctea na qual não conseguimos perceber grandes movimentos. Conhecedor que era da ação da gravidade, Einstein tentou explicar o não colapso gravitacional do Universo, que tendia a implodir pela ação do conjunto das estrelas, atribuindo uma “pressão de dentro-para-fora”, representada nas equações de campo pelo acréscimo de um termo que ele denominou “constante cosmológica”. Na década de 1920, Edwin Hubble  demonstrou que, muito além da Via Láctea, o Universo é populado por um grande número de galáxias; além do mais Hubble inferiu uma dinâmica cósmica em que as galáxias se afastam umas das outras segundo uma lei de expansão bem definida. 

Movimentação

Ao perceber que essa movimentação, por si só, poderia evitar o referido colapso gravitacional, Einstein se precipitou em afirmar que a introdução da constante cosmológica nas equações de campo tinha sido a “maior burrice” que ele havia cometido. Desde essa época o entendimento da expansão do Universo prosseguiu, segundo uma equação chamada “Lei de Hubble”, para a qual se observa maiores velocidades de afastamento intergaláctico para as galáxias mais afastadas, proposta que prevaleceu até os anos 1990. A partir daí, observações mais sofisticadas acabaram por mostrar que a expansão do Universo se dá de maneira acelerada, ou seja, no início a rapidez da fuga (na realidade a velocidade de expansão do espaço) era menor do que a observada mais recentemente. Essa realidade, tema do prêmio Nobel de Física de 2011, ressuscitou a constante cosmológica; o vetor que impulsiona o Universo “para fora” é conhecido como “energia escura”.

 

IHU On-Line – Do que se tratam os fundamentos da natureza em que espaço-tempo-matéria-energia se fundem numa realidade única? Como isso ajuda a explicar o mecanismo da gravidade?

Aba Cohen Persiano - Tomemos a Terra como exemplo de massa que deforma o espaço-tempo em sua vizinhança, a rigor não precisa ser um planeta ou estrela, já que qualquer massa em menor ou maior monta o faz: segundo a Teoria da Relatividade Geral há um afunilamento do espaço à medida que se transita de um ponto mais afastado (mais alto) para um ponto mais próximo à superfície da Terra; do mesmo modo, mas num sentido contrário, há um “desafunilamento” do tempo quando se vai de um ponto mais alto para um ponto mais próximo à superfície da Terra. Em outras palavras, na superfície da Terra o espaço é mais comprimido e o tempo é mais dilatado do que num ponto mais elevado. 

Essa distorção, também conhecida pelo termo “gradiente espaço-temporal”, envolve apenas metros e segundos e tem unidades de m/s2, ou seja, é uma aceleração — não é uma força como definia Newton — e o seu valor próximo à superfície terrestre pode ser calculado exclusivamente em termos dessas deformações, obtendo-se cerca de 9,8 m/s2. Qualquer objeto colocado nessa região “escorrega” em decorrência do “gradiente de funis invertidos”; não há uma força como propunha Newton, e sim um fluir acelerado rumo a pontos onde o espaço é mais espremido e o tempo é mais alargado. Podemos entender que esse “espremer” do espaço e esse “alargar” do tempo, existente nas proximidades do planeta, ou de qualquer massa, é a manifestação do “mecanismo de gravidade” que também pode ser visto como “mecanismo de inércia”, já que ele reflete a “preguiça ou dificuldade” da matéria em ser acelerada: um modo de entender isto é pensar que, para não ser acelerada com facilidade (a Terra tem muita massa, ou seja, muita inércia), o planeta “abraça” o espaço e “afrouxa” o tempo à sua volta, sendo que essa ação se estende ao infinito. Vemos assim que a dificuldade da “grande” massa em ser acelerada corresponde a um mecanismo que implica no surgimento de um auto-campo de aceleração que aponta em sua direção.

 

IHU On-Line – o que é mecânica quântica?

Aba Cohen Persiano - Também no final do Século XIX a Física Newtoniana se mostrou incapaz de explicar outros fenômenos relacionados ao extremamente pequeno. O modo como um corpo negro aquecido irradia (por exemplo uma cavidade esférica aquecida, dotada de um furo por onde podemos ver/medir a luz emitida) tem um comportamento inexplicável pela Teoria Clássica. No ano de 1900, Max Planck  (prêmio Nobel de Física de 1918) propôs uma quebra de paradigma ao afirmar que a energia, nesse caso a luz, em vez de ser algo contínuo e “divisível ad-infinitum”, como uma onda, é de fato algo granulado, ou seja, a luz é constituída por blocos cujas quantidades energéticas são bem definidas, cada bloco é o que denominamos um “quantum de energia” (o valor energético “E” do bloco é dado pela expressão E=hf, onde h=Constante de Planck=6,7.10-34 Js e f é a frequência da luz). 

Esse foi o pontapé inicial dos estudos quânticos. Essa ideia levou Einstein, em 1905, a explicar o Efeito Fotoelétrico (prêmio Nobel de Física de 1921), ao entender que a luz, que era uma onda, podia ser entendida também como um grão de energia. Mais tarde, na década de 1920 tal dualidade onda-partícula levou Louis de Broglie  (prêmio Nobel de Física de 1929) a propor que a matéria, que até então era descontínua, também pode ser tratada como algo contínuo, como uma onda. A mecânica quântica (MQ) é a teoria que trabalha com a dualidade onda-partícula que é observada tanto para a luz quanto para a matéria, em especial no nível submicroscópico.

 

IHU On-Line – Como o princípio da incerteza ajuda a explicar a origem do universo?

Aba Cohen Persiano – O Princípio da Incerteza embute em si uma infinidade de possibilidades, isto não significa que elas irão acontecer um dia. A ideia da origem do Universo, tendo seu surgimento com base nesse princípio, é algo que pode ser entendido se tomarmos as flutuações do vácuo num limite extremo: num intervalo de tempo t absurdamente pequeno seria possível criar uma quantidade de energia E absurdamente grande, suficiente para gerar todo o Universo.

Algumas perguntas podem ser colocadas: pela Teoria da Relatividade Geral o espaço-tempo-matéria-energia não têm existência independente; assim perguntamos “sem a existência de espaço e tempo, onde e quando essa flutuação teria ocorrido?”. No meu entender, além da dificuldade de resposta à minha pergunta, essa conjectura é uma possibilidade extremamente remota para grandes massas; o exemplo dado para as flutuações de vácuo foi com massas ínfimas. (ver a versão completa da resposta no formato PDF)

IHU On-Line – O que é a gravidade quântica?

Aba Cohen Persiano - Sabemos que a Teoria da Relatividade Geral lida com campos contínuos, sem admitir qualquer tipo de descontinuidade; por outro lado a Mecânica Quântica lida com descontinuidades. Essa divergência de abordagens gera um conflito que os físicos não sabem como lidar, quando se tenta aplicar a Teoria da Relatividade Geral a sistemas de baixa dimensionalidade, que é o campo da Mecânica Quântica. Os estudos de gravidade quântica tentam desenvolver uma teoria que concilie a TRG com a MQ, buscando algum modelo matemático para trabalhar, por exemplo, quando se quer lidar com buracos negros, algo muito massivo, do campo da TRG, e ao mesmo tempo diminuto, do campo da MQ. Essas tentativas, até o momento, não conseguiram fazer a junção de modo claro.

 

IHU On-Line – O que são as partículas elementares?

Aba Cohen Persiano - As partículas elementares são os blocos fundamentais da matéria, a partir das quais se constrói as demais. No passado os átomos eram constituídos por blocos fundamentais chamados de elétrons, prótons e nêutrons; hoje nem os prótons nem os nêutrons são blocos ou partículas fundamentais, no sentido de últimos constituintes, a partir dos quais se monta todo o resto. Em meados do século XX, além dos elétrons, prótons e nêutrons, foram catalogadas centenas de outras partículas, fruto de colisões entre partículas carregadas, realizadas em aceleradores precursores do Grande Colisor de Hádrons (Large Hadron Collider – LHC, na sigla em inglês)  – há um amplo material publicado na página do IHU sobre o LHC , que acabaram por gerar uma complexidade de nomenclaturas. 

Essa dificuldade foi resolvida quando Murray Gell-Mann  (prêmio Nobel de Física de 1969) propôs a existência de três pares de quarks, partículas fundamentais com as quais, dependendo do modo como as combinamos, se pode construir não só as centenas de novas partículas como também os prótons e nêutrons, que passaram a ser compostos por uma trinca de quarks específicos. Desta forma, os blocos ou partículas fundamentais da natureza se resume a meia dúzia de quarks e outro tanto de anti-quarks, sendo que a essa coleção soma-se os léptons (partículas leves) como os elétrons, neutrinos, muons, tau e suas antipartículas; completam esse quadro um conjunto de “partículas mediadoras” responsáveis por forças de interação como os fótons,  glúons,  partículas W e Z,  gráviton  e o bóson de Higgs. 

 

IHU On-Line – O que são as flutuações quânticas que preenchem o tempo-espaço no universo?

Aba Cohen - Essas flutuações são responsáveis pela produção dos chamados “pares virtuais” de partícula-antipartícula que, em princípio, podem surgir e desaparecer sem violar as leis de conservação da física. Com base no Princípio da Incerteza, sabemos que é fisicamente possível se “criar do nada” uma partícula desde que isto aconteça num intervalo de tempo muito curto; tal princípio diz que só conseguimos medir/perceber fatos que ocorram acima do limite (E.t  h/2), mas não percebemos/medimos algo que esteja abaixo desse limite (E.t < h/2); em outras palavras se t for um intervalo de tempo muito pequeno e E uma quantidade de energia suficiente para gerar um par, por exemplo, elétron-pósitron (o pósitron é a antipartícula do elétron, com mesma massa e carga, só que positiva), então isto pode acontecer, dentro desses limites (E.t < h/2); ou seja: se o produto for menor que h/2 isto está aquém de nossa capacidade de perceber e essas partículas podem surgir e em seguida desaparecer, confinadas àquele ínfimo intervalo de tempo t. Essas são as flutuações do vácuo; sua existência não é uma simples conjectura teórica, pois com base nelas conseguimos explicar alguns fenômenos como a Radiação de Hawking  de um buraco negro.

 

IHU On-Line – Como a noção de que o universo está em permanente expansão modifica categorias da modernidade para pensar o mundo? De que forma isso reposiciona as teorias sobre nosso espaço no mundo?

Aba Cohen Persiano - No tempo de Ptolomeu  o Universo era centrado na Terra, depois veio Copérnico,  Kepler  e há menos de 100 anos o Universo de Einstein era a Via Láctea, estática; nos anos 1920 cosmólogos como Willem de Sitter,  Georges Lemaître  e Alexander Friedmann  usaram a Teoria da Relatividade Geral para mostrar a possibilidade de um Universo em expansão, que o próprio Einstein contestou no primeiro momento; depois veio Edwin Hubble, que mostrou essa realidade e isto prevaleceu até os anos 1990 quando havia a perspectiva do “big crunch”, com o Universo implodindo e retornando ao ponto do “big bang”. Hoje sabemos que isto não acontecerá.

 

Há cerca de 15 anos a expansão (vista por nós) era uniforme e agora que Saul Perlmutter,  Adam Riess  e Brian Schmidt  (Prêmios Nobel de Física de 2011) mostraram que a expansão é acelerada, vemos o Universo sendo empurrado “para fora” cada vez mais rapidamente, essa é a “verdade atual”. Não sabemos o que virá em seguida. Vivemos numa cultura em que há constante aperfeiçoamento de nosso entendimento do Universo. Cada vez mais nos convencemos de que somos habitantes de um ínfimo planeta perdido no espaço de um Universo que se desintegrará no infinito. Essa percepção nos obriga a pensar de modo humilde em relação à existência e à natureza e a cuidar melhor desse pontinho azul em que vivemos.

 

IHU On-Line – Deseja acrescentar algo?

Aba Cohen Persiano - Sabemos que a Física Contemporânea se configura como um imenso campo que encerra uma maravilhosa harmonia, mas suas fronteiras estão abertas. Nenhuma das teorias aqui discutidas é a palavra final em matéria de Ciência; ainda que algumas teorias, como a Teoria da Relatividade Geral e a Mecânica Quântica, consigam prever os fatos da Natureza com precisão absurdamente elevada, superando uma dezena de casas decimais, existem sérias incompatibilidades entre elas que exigem novas pesquisas e a evolução de nosso entendimento do mundo. Essa busca nos leva ao desenvolvimento de novos conhecimentos, novas tecnologias e cultura, levando também à questão da segurança, que deve ser vista com muito cuidado, pois enseja dois olhares. ■

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