PARTE III – ELETROMAGNETISMO

ELETRICIDADE, MAGNETISMO (FAÇA-SE A LUZ).

O leitor deve estar se perguntando: o que tem a ver a luz, o magnetismo e a eletricidade com a teoria de relatividade restrita de Einstein? Bom, o leitor tem razão, aparentemente nada tem a ver, no entanto todas essas grandezas estavam sendo analisadas de modo independente por vários cientistas de diferentes épocas há séculos. No período de Newton, pouca coisa se sabia a respeito delas. Porém, após Newton, acreditava-se que teríamos um final feliz, isto é, após a compreensão desses fenômenos, acabariam todos por também obedecer suas leis e o princípio da relatividade, OU NÃO?

Comecemos pela história da luz.

Desde a Grécia Antiga especula-se sobre a luz. Pitágoras (582-500 a.C.), Demócrito (460-370 a.C.), Empédocles (490-430 a.C.), Platão (427-347 a.C.), Aristóteles (384-322 a.C.), Euclides (320-275 a.C.), Ptolomeu (100-170 d.C.), Galileu (1564-1642) e Newton (1642-1727). Cada um desses sábios interpretou a luz ao seu modo. Até Newton, ainda não se sabia ao certo se a luz era formada por partículas ou se eram ondas, como a onda sonora.

Fenômenos como reflexão e refração eram mais ou menos explicados tanto pela teoria corpuscular da luz quanto pela teoria ondulatória.

Pitágoras e Demócrito entendiam a luz como formada por partículas. A teoria de Aristóteles se aproximava mais do modelo ondulatório.

Para Newton, a luz é formada por corpúsculos, desloca-se em linha reta, composta por diversas cores (que compõem o arco-íris) e tem velocidade infinita. Embora, em 1676, Romer demonstrou que a velocidade da luz era finita e conseguiu medi-la fornecendo um valor muito próximo do atual.

Huygens, um físico holandês, em 1678 defendia que a luz era de fato formada por ondas, ousando contrariar Newton!

E não é que ele tinha razão?! Sua teoria ondulatória explicava melhor os fenômenos que acompanham a luz e, mais ainda, explicava um efeito que a teoria corpuscular não conseguia conciliar: a interferência da luz. A experiência indicava que quando duas ondas (luz) se encontram, ou elas se somam, tornando-se maior (interferência positiva), ou se anulam (interferência negativa). É fácil entender, é só lembrar das ondas do mar. Podem se somar, tornando-se uma onda maior ou anularem-se. Isso a teoria corpuscular não explicava.

Outro aspecto que ainda não estava bem explicado ao se aceitar a teoria ondulatória era o seguinte: como a luz se propaga? Qual o meio de suporte? As ondas mecânicas, como já vimos, sempre têm um meio no qual se propagam, e a luz? Como fica? Pensaram os físicos, “Bem, se todas as ondas necessitam de um meio de transporte, vamos então criar um meio de transporte para a luz: o éter”.

O éter era difícil de “engolir”, mas era o que se tinha.

Difícil de “engolir,” porque esse meio tinha que apresentar as seguintes propriedades:

1. Preencher todo o Universo, já que a luz permeia todo o Universo.
2. Não impor resistência ao movimento dos corpos, caso contrário, os planetas seriam freados e cairiam em direção ao Sol.
3. Ser muito fluido para não impor resistência, mas, ao mesmo tempo, muito sólido para permitir que a luz viaje em alta velocidade.

De qualquer modo, a luz pertencia ao ramo específico da física: a óptica.

RESUMO ATÉ ENTÃO:

1. A LUZ É UMA ONDA.
2. TEM VELOCIDADE FINITA.
3. O ÉTER É O MEIO QUE A TRANSPORTA.
4. É COMPOSTA PELAS CORES BÁSICAS.
5. SE  PROPAGA EM LINHA RETA.
6. DIFÍCIL DE EXPLICAR O ÉTER.
7. A LUZ PERTENCIA AO TERRENO DA ÓPTICA.

MISTÉRIOS E DÚVIDAS

1. A LUZ É UMA ONDA OU PARTÍCULA?
2. VELOCIDADE FINITA OU INFINITA?
3. O ÉTER EXISTE OU NÃO?
4. É IGUAL A UMA ONDA MECÂNICA OU NÃO?
5. OBEDECE AO PRINCÍPIO DA RELATIVIDADE?

Entendo que todos os leitores estão um pouco confusos com essas afirmações e contradições da luz. Não faz mal, os cientistas da época também estavam. O importante é lembrar que essa confusão foi a semente que germinou e culminou na teoria da relatividade restrita de Einstein, como veremos mais adiante. Aliás, Einstein mostrou, ao final, que a luz, dependendo das condições, podia se comportar como uma onda ou como uma partícula (dualidade da luz, efeito fotoelétrico). Ganhou o prêmio Nobel com esse feito.

E quanto à eletricidade e ao magnetismo?

Vou acentuar que o estudo dos fenômenos elétricos e magnéticos se desenvolveram totalmente independentes dos fenômenos da luz. A luz, como já dito, pertencia ao ramo da óptica e, aparentemente, nada tinha a ver com estes outros ramos da física: o da eletricidade e o do magnetismo.

A história é longa e plena de realizações de diversos cientistas: Coulomb (1736-1806), Orsted (1777-1851); Ampère (1775-1836), Faraday (1791-1867), Maxwell (1831-1879), e muitos outros, mas, para não complicar muito, descreveremos os feitos somente de alguns deles, que nos permitirão ir adiante ao encontro da teoria de Einstein.

Coulomb – propõe a noção de campo elétrico e campo magnético.

Oersted – com os seus experimentos, comprovou a existência de um campo magnético ao redor de um fio quando este era percorrido por uma corrente elétrica. Pela primeira vez houve evidência da relação entre fenômenos elétricos e magnéticos (1821).

Ampère – embora Oersted tenha descoberto que um fio percorrido por uma corrente elétrica gera um campo magnético à sua volta, foi André Marie Ampère quem, matematicamente, deduziu esse campo. Podemos dizer que o grande feito de Ampère foi ter desenvolvido a famosa lei de Ampère.

Faraday – criou a lei da indução eletromagnética.

Uma carga elétrica não interage com um ímã em repouso, mas responde ao movimento do ímã, portanto a carga elétrica reage a um campo magnético em movimento. Essa variação do campo magnético chega à carga elétrica que responde como se houvesse um campo elétrico. Logo, a variação de um campo magnético é o mesmo que um campo elétrico.

Ora, podemos concluir que esses dois aspectos, o campo elétrico e o campo magnético, estão intimamente interligados. O campo elétrico, ao variar, produz um campo magnético, e um campo magnético, ao variar, produz um campo elétrico!

Estamos agora diante do eletromagnetismo. Antes, grandezas separadas (eletricidade e magnetismo), agora, unem-se em um único ramo da ciência: o campo eletromagnético.

Muito bem. Não se preocupem se não entenderam perfeitamente essas explicações. O que importa no fim é saber que eletricidade e magnetismo são variações do mesmo fenômeno!

James Clerk Maxwell – as famosas equações de Maxwell sobre eletricidade e magnetismo levaram a um entendimento mais profundo sobre as ondas eletromagnéticas. Não temos a pretensão e a ousadia de descrever o desenvolvimento dessas equações. Desejamos apenas trazer ao leitor suas consequências. Queremos trazer os conceitos derivados dessas equações que, acredito, marcaram um novo entendimento sobre a física e que levaram Einstein a formular a teoria da relatividade restrita. As ideias de Maxwell, sem dúvida nenhuma, foram as ideias que influenciaram Einstein a desenvolver sua teoria.

Conceitos desenvolvidos por Maxwell:

1. Os efeitos elétricos e magnéticos não se deslocam instantaneamente.
2. Com base em estudos anteriores, uniu os dois efeitos e definiu as ondas eletromagnéticas.
3. Definiu a velocidade da onda eletromagnética: 300.000Km/s.
4. A luz é uma onda eletromagnética. Uniu a óptica ao eletromagnetismo.
5. Ondas eletromagnéticas consistem em campos elétricos e magnéticos variáveis. Criam um ao outro reciprocamente mantendo a propagação da onda autossustentável.
6. A onda eletromagnética não pode ter velocidade zero.

Vamos tecer alguns comentários acerca desses conceitos.

As ondas eletromagnéticas não se deslocam instantaneamente. Sentir a presença de um campo elétrico ou magnético leva algum tempo. Maxwell mostrou, por exemplo, que se agitássemos um imã (força magnética), decorria algum tempo até a limalha de ferro reagir a esse estímulo. Outro problema para Newton, pois, segundo ele, as forças agem instantaneamente, não levando tempo algum para que alguma perturbação em uma parte do universo fosse no mesmo momento sentido em todo o universo.

Maxwell sabia, por meio dos trabalhos de Faraday e outros, que um campo magnético em movimento poderia criar um campo elétrico e vice-versa. Ora, se um campo magnético variante pode criar um campo elétrico, ambos formam um movimento cíclico, com campos elétricos e magnéticos alimentando-se mutuamente de forma contínua e transformando-se um no outro numa onda sem fim. Era a onda eletromagnética. Essas ondas são criadas, portanto, por cargas elétricas em movimento. Calculou a velocidade dessa onda e… surpresa! ERA A VELOCIDADE DA LUZ! Então a luz era uma onda eletromagnética e ponto final. E mais, a luz também deveria ser criada por cargas elétricas em movimento tal qual a onda eletromagnética. Essa velocidade era de 300.000 Km/s. A dúvida a ser questionada nesse momento era a seguinte: 300.000 Km/s em relação a quê?

Sobre a velocidade desta onda não poder ser zero explicaremos mais adiante. 

Quando verificou que a luz é uma onda eletromagnética, talvez uma das observações mais importantes da sua teoria, colocou a óptica sob o manto do eletromagnetismo.

Agora, além de obtermos uma melhor compreensão da luz, agregando a ela o conhecimento adquirido com o estudo dos fenômenos eletromagnéticos, podemos entender os fenômenos da óptica a partir de hipóteses do eletromagnetismo. Assuntos, inicialmente independentes, ficam unificados em uma única teoria.

LEMBRE-SE DE QUE ONDA ELETROMAGNÉTICA não é somente a luz visível.

As ondas eletromagnéticas são geradas por cargas elétricas em movimento. Entendemos que ondas eletromagnéticas não se resumem à luz visível (todas as cores, do vermelho ao violeta), mas também as não visíveis: ondas de rádio, Raios X, infravermelho, micro-ondas, raios gama etc. Para facilitar a nossa compreensão, vamos designar a luz como sendo representante de todas essas ondas. Quando me referir à luz, estarei então me referindo a todas as ondas eletromagnéticas.

Bem leitores, acredito que outra vez estão um pouco confusos com todas essas explicações sobre temas tão áridos: luz, eletricidade e magnetismo. Não faz mal. Para entendermos a teoria de Einstein, não necessariamente precisamos entender em detalhes tudo o que foi explicado até agora. O que precisamos saber são alguns conceitos advindos desses estudos.

O QUE PRECISAMOS SABER:

1. A LUZ É UMA ONDA ELETROMAGNÉTICA.
2. MAGNETISMO, ELETRICIDADE E LUZ SÃO ONDAS ELETROMAGNÉTICAS E TUDO É O QUE CHAMAMOS DE ELETROMAGNETISMO.
3. A VELOCIDADE DESSA ONDA É 300.000 Km/s.
4. ESSA ONDA É CRIADA POR CARGAS ELÉTRICAS EM MOVIMENTO.

E A PRÓXIMA PERGUNTA QUE VEM: QUAL O SUPORTE MATERIAL PARA ESSA ONDA SURFAR? Bom, Maxwell tinha uma resposta.

Agora estamos prontos a entender como e porque Einstein formulou a sua teoria.

OS PROBLEMAS QUE EINSTEIN RESOLVEU ENUNCIANDO A SUA TEORIA.

A resposta da pergunta efetuada acima: qual o suporte material para a onda eletromagnética surfar, Maxwell respondeu.

Ora bolas, só podia ser o éter, tão comentado e tão enigmático. Nessa época, os cientistas acreditavam fortemente na existência do ÉTER. Apesar das contradições já expostas neste livro sobre o éter, não tinha jeito, o éter era a solução.

Assim estaria tudo resolvido. A onda eletromagnética (luz) tendo um suporte para surfar, obedeceria às regras de Newton, obedeceria ao princípio da relatividade e todos ficariam felizes para sempre. Então a luz apresenta uma velocidade de 300.000Km/s em relação ao éter e qualquer corpo em movimento em relação ao éter provocaria uma variação na velocidade da luz em relação a ele, como acontece com o som etc. Se estou viajando a 100.000 K/s em sentido contrário da luz, então minha velocidade em relação à luz é de 200.000K/s. OK, mais uma vez afirmo que, sendo assim, Newton está certo: a massa de um corpo é constante, o tempo é constante e o espaço é constante. Lembre só a velocidade da luz, que segundo Newton era infinita, demonstrou-se que, ao contrário, era finita.

A teoria mecanicista de Newton se mostraria mais uma vez vencedora! Explicaria até mesmo os fenômenos ópticos.

Quero também mais uma vez afirmar que todos os cientistas tinham absoluta convicção de que o princípio da relatividade era uma verdade inabalável. Não existe repouso absoluto ou movimento absoluto – NO MOVIMENTO RETILÍNEO UNIFORME!

Na natureza não existe um referencial absoluto ou privilegiado, por isso não existe movimento absoluto, só podemos falar em movimento relativo entre os corpos. Sei que estou sendo chato! Repeti uma porção de vezes a palavra “absoluto”, sim, eu sei, mas é necessário.

SURPRESA, E TODOS FICARAM ABALADOS!!!!!

A CATÁSTROFE DA LUZ (ONDA ELETROMAGNÉTICA).

Tudo começou com a crença de que a velocidade da luz, segundo Maxwell, era de 300.000 Km/s. E o éter o seu suporte. Então vamos realizar experimentos para provar que é tudo isso mesmo o que ocorre. O experimento mais famoso foi o dos autores Michelson e Morley (1880-1931).

Não nos interessa explicar pormenorizadamente esse experimento e o aparelho desenvolvido pelos autores para realizá-lo. O que nos interessa é saber o que demonstraram. Esse experimento tinha por objetivo determinar a velocidade da Terra através do éter. O aparelho, em resumo, era uma fonte de luz, um vidro laminado coberto de prata e dois espelhos, tudo montado em uma base rígida. Com esse aparelho pretendia-se mostrar a variação da velocidade da luz quando viajava no sentido da Terra e quando viajava no sentido contrário. Deveríamos obter velocidades diferentes nessas duas situações, pois como a Terra está em movimento (ai, de vocês se não acreditarem no movimento da Terra, Copérnico e Galileu se revirariam nos túmulos), haveria uma velocidade maior do que 300.000 Km/s quando a luz viajasse no sentido da Terra e, menor, quando viajasse contrária a esse movimento. Pois bem, o que os autores conseguiram? Conseguiram mostrar que a velocidade da luz não variava, era sempre a mesma de 300.000 Km/s seja quando estava a favor seja quando estava ao contrário do movimento terrestre. A velocidade da luz NÃO VARIAVA. Ora, se a velocidade da luz não variava, então encontrou-se um movimento ABSOLUTO, o que contrariava totalmente o “PRINCÍPIO DA RELATIVIDADE”. Veja a figura abaixo que ilustra o resultado desse experimento.

A Terra move-se em torno do Sol. Na posição A, os feixes de luz e da Terra deslocam-se no mesmo sentido. Na posição B, deslocam-se em direções opostas. Se existe éter, e a Terra nele se move, a velocidade da luz deveria em relação à Terra se alterar. Mas não foi isso o que a experiência mostrou. A Terra se move e a velocidade da luz não se altera.

Digo neste momento que somente 18 anos depois esses resultados inesperados foram enfim explicados por Einstein. Aliás, na época dessa experiência, Einstein tinha apenas 8 anos.

Vamos analisar um pouco esse resultado.

A luz tem então uma velocidade constante em relação ao movimento da terra. A luz tem velocidade absoluta!

Agora pensem um pouco, se a velocidade da luz tem velocidade absoluta, qualquer corpo em movimento quando comparada a sua velocidade à da luz, descobriremos a velocidade absoluta desse corpo, não é certo? Mas… caramba, já não dissemos que não existe movimento absoluto ou velocidade absoluta? Como fica? Vamos pensar mais um pouco. Imaginemos que estamos defronte a um espelho e que o seguramos, e todo esse conjunto, nós e o espelho, está à velocidade da luz. Pergunto: vamos enxergar a nossa imagem no espelho ou não? Pergunta esquisita, não é? Mas pense e tente responder. Resposta: você se vê no espelho! Ora, como isso é possível? Se eu e o espelho estamos à mesma velocidade (da luz), então o raio de luz nunca alcançaria o espelho e minha imagem não apareceria, não é mesmo? Mas o experimento de Michelson e Morley mostrou exatamente isso. A coisa estava confusa. A velocidade da luz era sempre 300.000 km/s independentemente da sua fonte e do observador, quer ele estivesse em movimento, quer estivesse em repouso. A figura abaixo mostra como, na época, se pensava a respeito desses fenômenos. Estaríamos diante de leis da física diferentes? Para a mecânica, essas leis seriam uma: sim, o princípio da relatividade de Galileu é verdadeiro. Para o eletromagnetismo, as leis da física seriam outras: o princípio da relatividade de Galileu não é verdadeiro.

Por outro lado, podemos citar alguns argumentos que indicam que a velocidade da luz não é absoluta e que de fato varia e, assim, tudo fica normal outra vez. As hipóteses possíveis tentando colocar a luz no seu devido lugar:

1. A experiência de Michelson e Morley está errada.
2. As fórmulas de Maxwell estão erradas.
3. Ondas mecânicas obedecem ao princípio da relatividade e ondas eletromagnéticas não obedecem a esse princípio.
4. Teorias que tentam salvar a mecânica de Newton.

Na época, os cientistas estavam atrás de uma explicação viável e, assim, tentaram derrubar o que foi demonstrado pela experiência ou formular teorias que a explicassem.

Bom, quanto à experiência de Michelson e Morley, ela está certíssima. Foi repetida várias vezes e com instrumentos cada vez mais sofisticados, os resultados sempre foram os mesmos. Portanto, não há que falar em erro, está absolutamente correta!

Isso também acontece com as famosas equações de Maxwell, nada se encontrou de errado, aliás, mais à frente mostraremos como essas equações são verdadeiras!

As ondas eletromagnéticas não obedecem ao princípio da relatividade? Veremos como Einstein enfrentou essa questão.

Finalmente, foram várias as teorias que surgiram para a explicação desse fenômeno e que não abalassem Gallileu e Newton. A mais importante foi a teoria criada por: 

Essa era de fato uma boa teoria. E até desenvolveram equações, as chamadas “transformações de Lorentz” que calculavam como as réguas contraiam quando comprimidas pelo éter (ele outra vez). Essas equações eram tão boas que foram mais tarde utilizadas por Einstein na sua teoria, a da relatividade, como mostraremos mais adiante. Vamos ilustrar abaixo o que esses pesquisadores quiseram mostrar. 

FIGURA  – A

Na figura A, o átomo está em repouso e não sofre influência do vento éter, logo, ele tem um tamanho definido. Notem que o espaço que o contém está ilustrado em azul.

Figura – B

Na figura B, o átomo está sofrendo um vento do éter que o comprime e, como mostram as flechas interrompidas, os elétrons se aproximam de núcleo e, assim, o átomo diminui de tamanho. O espaço que o contém é o mesmo da figura anterior.

O resultado aparece na figura C: o átomo fica menor na direção do movimento.

FiGURA – C

Notem que na figura C o átomo foi comprimido, mas o espaço continua o mesmo. E mais, a diminuição do tamanho é calculada pelas leis de transformação de Lorentz.

O fato é que essa teoria não poderia ser demonstrada, pois, se em movimento todas as réguas (instrumento qualquer) se encolhem, como mostrar a diferença na variação da velocidade da luz?

Em todo o caso, era uma teoria com base na mecânica de Newton, pois descrevia forças e partículas, bem ao gosto do gênio de Londres.

Então a história era essa e pronto. Parece que com essa teoria, talvez conservássemos o ponto de vista de Newton até que aparecesse alguém genial que nos faria mudar de ideia. E não é que surgiu? Surgiu sim, Einstein, com sua teoria mais convincente e que passaremos a descrever.

OK – Vamos aguardar a parte VI – próximo Boletim.