Author: Alexandre Cherman

Toda onda necessita de um meio material para se propagar. O som que ouvimos normalmente nada mais é do que variações de pressão em pequenas faixas de ar. Como se costuma dizer na literatura de ficção científica, “no vácuo, ninguém pode ouvir você gritar”; não há um meio para as ondas sonoras viajarem. A onda de luz, e posteriormente a onda eletromagnética, utilizava-se do éter luminífero (aether luminipherus = “ar portador de luz”) para viajar pelo espaço. Este era uma substância estranha e misteriosa que preenchia o espaço vazio, remetendo às idéias clássicas da “quinta essência” de Aristóteles e dos neoplatônicos.

Uma vez que se sabia bem o que era luz, pensou-se em usá-la para estudar o éter. Mais precisamente o movimento da Terra através dele. Em 1881, o físico americano Albert Michelson concebeu um instrumento por ele batizado de interferômetro. Esse aparelho servia para dividir um raio de luz em dois feixes distintos, remetendo cada um deles em uma direção e reunindo-os novamente a seguir. Se os dois feixes percorressem precisamente a mesma distância, com a mesma velocidade, eles se juntariam depois ainda na mesma fase (a luz permanecendo inalterada). Mas se a distância percorrida ou a velocidade mudassem, mesmo que ligeiramente, os feixes reunidos estariam fora de fase e o aparelho registraria uma interferência semelhante à obtida por Young oitenta anos antes.

Michelson projetou os dois feixes de luz em percursos perpendiculares – um dos quais seguia na direção do movimento da Terra através do éter. Como a composição das velocidades (da luz em relação à Terra e da Terra em relação ao éter) seria diferente para os diferentes feixes, o aparelho deveria acusar uma interferência na chegada das ondas. Isso não foi encontrado.

Michelson atribuiu o fracasso de seu experimento ao método utilizado para as medições. Por vários anos ele refinou sua aparelhagem tentando medir as franjas de interferência, por menor que fossem. Já em 1887, auxiliado pelo químico americano Edward Morley (1838-1923), ele executou sua derradeira experiência e mais uma vez não obteve os resultados esperados. Várias explicações pouco prováveis (entre elas a de que a Terra “arrastava” uma porção do éter em seu movimento e por isso a velocidade relativa entre ambos era zero) foram sugeridas, mas nenhuma foi de fato levada a sério. Talvez a experiência de Michelson e Morley tenha sido o fracasso mais importante da história da ciência moderna.

Em 1892, o físico irlandês George Fitzgerald (1851-1901) propôs uma solução para o problema que rompia as barreiras do bom senso. Disse ele que o espaço (i.e., a distância percorrida) se contraía na direção do movimento. Essa mudança na distância seria tal que manteria em fase os feixes de luz viajando em direções distintas. A contração de Fitzgerald, como é conhecida, lembrava o ideal platônico de “salvar os fenômenos”, visto que era uma hipótese complicadora proposta ad hoc.

Seguindo os passos de Fitzgerald, o físico holandês Hendrik Lorentz (1853-1928), em 1895, corroborou a contração de Fitzgerald, incorporando-a às suas idéias sobre sistemas em movimento, e foi mais além. Lorentz postulou que a massa de uma partícula qualquer aumentava à medida que esta atingia velocidades cada vez maiores. Começava aqui a surgir a noção da velocidade da luz como limite máximo no Universo. Este aumento de massa foi medido em laboratório cinco anos depois. Lorentz também ressaltou o fato de que uma contração na distância acarretaria uma dilatação do tempo (o tempo passa mais devagar para quem está se movendo).

Lorentz propôs um conjunto de equações que descreviam estes “fenômenos”. Por deformarem espaço e tempo, estas equações mantinham constante a velocidade da luz, pois velocidade é espaço percorrido dividido pelo tempo. A figura de interferência era impossível, pois a luz sempre viaja com a mesma velocidade, independente da velocidade com que esteja viajando sua fonte!

Um certo físico alemão chegou a estas mesmas conclusões, apesar de ter trilhado um caminho diferente.

O caminho histórico que nos leva à Teoria da Relatividade, proposta pelo físico alemão Albert Einstein (1879-1955) em 1905 e posteriormente generalizada por ele mesmo em 1915, começa (se é que é possível fixar um início exato para uma revolução ou descoberta) com a unificação da eletricidade e do magnetismo, cujo primeiro vislumbre se deu através dos experimentos do físico dinamarquês Hans Christian Orsted (1777-1851).

Antes dele, muitos já cogitavam a hipótese de que eletricidade e magnetismo possuíam algum tipo de relação. Afinal, ambos apresentam-se em dois aspectos opostos (no caso da eletricidade, temos as cargas positivas e negativas; no caso do magnetismo, temos os pólos norte e sul). Nos dois casos os opostos se atraem e os semelhantes se repelem. Ainda em ambos os casos, as forças de repulsão e atração diminuem com o quadrado da distância (dobre-se a distância entre duas cargas ou pólos e a força que sentiam será quatro vezes menor do que antes).

Em 1820, Orsted (em sala de aula) aproximou o ponteiro de uma bússola de um fio por onde passava uma corrente elétrica. Para surpresa geral, o ponteiro mudava sua posição, deixando de indicar o pólo norte. Caso a corrente fosse invertida, invertia-se também a posição do ponteiro. Ficava claro que a presença de uma corrente elétrica no fio perturbava as propriedades magnéticas das proximidades.

Esta idéia ganhou força com os experimentos de outros eminentes físicos da época. Ainda em 1820, o francês André-Marie Ampère (1775-1836) mostrou que dois fios paralelos que apresentassem correntes na mesma direção se atraíam. Se as correntes fossem em direção oposta, os fios se repeliam. Outro francês, François Aragos (1786-1853), demonstrou que se uma corrente passasse por um fio de cobre, este poderia atrair e manter filamentos de ferro, exatamente como um ímã. Por fim, o alemão Johann Schweigger (1779-1857) observou que a quantidade de deflexão da agulha variava em proporção à força da corrente no fio, em referência à experiência original de Orsted (inventando assim o galvanômetro – aparelho que mede a intensidade da corrente em um fio).

Estas descobertas provocaram uma avalanche de experimentos científicos. No ano seguinte, o físico inglês Michael Faraday (1791-1867) organizou um circuito elétrico que incluía dois fios e dois magnetos. Em um dos casos, o fio era fixo e o ímã era móvel. No outro, era o ímã que ficava fixo e o fio móvel. Quando a corrente passava através do fio, o fio móvel movia-se em torno do magneto fixo e o magneto móvel movia-se em torno do fio fixo. Dessa maneira, Faraday demonstrou pela primeira vez que as forças elétricas podiam produzir movimento.

Independente desta conclusão (que daria origem ao dínamo e aos motores elétricos), Faraday propôs a existência de linhas de força ao redor do fio: um campo magnético gerado pela corrente. Começou com esta experiência a concepção que hoje é um dos pontos centrais da física: a de que o Universo é permeado por campos, que são os condutores das forças.

Paralelamente a estas descobertas físicas, o matemático alemão Carl Gauss (1777-1855) desenvolveu seu teorema da divergência (também conhecido por teorema de Gauss), que relaciona o fluxo através de uma superfície fechada com a quantidade contida no volume definido por esta superfície. Uma vez que se percebeu que a eletricidade e o magnetismo podiam ser representados por campos, o teorema de Gauss simplificava bastante a compreensão de certos resultados.

Dispondo do cálculo integral e diferencial, o matemático britânico James Clerk Maxwell (1831-1879) conseguiu, em 1855, traduzir o conceito de Faraday para a forma matemática e demonstrar que a visão intuitiva do físico inglês sobre as linhas de força estava correta. Maxwell teve a habilidade necessária para compilar os trabalhos da época e interligá-los em um conjunto de quatro equações que são conhecidas como as equações de Maxwell.

Estas equações nos mostram que uma variação do campo elétrico gera um campo magnético e vice-versa. Assim, ao se propagar no vácuo (ou em qualquer outro meio), uma onda elétrica gera uma onda magnética. Temos, na verdade, um conjunto indissolúvel conhecido como onda eletromagnética. Estavam unificados os campos elétrico e magnético, dando origem ao ramo da física conhecido por eletromagnetismo.

Não por acaso, a velocidade calculada para a onda eletromagnética coincidia com o valor conhecido na época (bastante correto) para a velocidade da luz. Sabia-se também, através dos resultados experimentais obtidos em 1801 pelo físico inglês Thomas Young (1773-1829) envolvendo os fenômenos de difração e interferência, que a luz era uma onda. Ela, que já havia sido “o mais imaterial dos corpos” segundo os neoplatônicos, e também um fluxo contínuo de corpúsculos como primeiramente pensado por Isaac Newton (1642-1727), mostrava-se agora como uma onda eletromagnética. Este novo status permitia uma manipulação numérica mais precisa e conseqüente melhora nos resultados experimentais e nas previsões teóricas.

Mas, se a luz é uma onda – e uma onda nada mais é do que uma perturbação em um certo meio – o que a onda luz ondula, afinal?