Pergunte a Ethan: O Éter Existe?

Tanto os fótons quanto as ondas gravitacionais se propagam na velocidade da luz através do vácuo do próprio espaço vazio. Apesar do fato de não ser intuitivo, não há evidências de que haja um meio físico, ou éter, necessário para essas entidades viajarem. (NASA/SONOMA STATE UNIVERSITY/AURORE SIMONNET)
Nem tudo precisa de um meio para viajar. Se pudermos superar essa suposição, não precisamos do éter.
Por todo o Universo, diferentes tipos de sinais se propagam. Alguns deles, como as ondas sonoras, requerem um meio para viajar. Outros, como a luz ou as ondas gravitacionais, se contentam perfeitamente em atravessar o vácuo do espaço, aparentemente desafiando completamente a necessidade de um meio. Independentemente de como o fazem, todos esses sinais podem ser detectados a partir dos efeitos que induzem quando finalmente chegam ao seu destino. Mas é realmente possível que as ondas viajem pelo vácuo do próprio espaço, sem nenhum meio para se propagar? É isso que Wade Campbell quer saber, perguntando:
No final dos anos 1800, um éter foi proposto como o meio pelo qual a luz viaja. Agora não acreditamos que seja esse o caso. Qual é a evidência e/ou prova de que não existe éter?
É uma suposição fácil de fazer, mas uma afirmação difícil de refutar. Aqui está a história.

Seja através de um meio, como ondas mecânicas, ou no vácuo, como ondas eletromagnéticas e gravitacionais, cada ondulação que se propaga tem uma velocidade de propagação. Em nenhum caso a velocidade de propagação é infinita e, em teoria, a velocidade na qual as ondulações gravitacionais se propagam deve ser a mesma que a velocidade máxima no Universo: a velocidade da luz. (SERGIU BACIOIU/FLICKR)
Nos primórdios da ciência - antes de Newton, voltando centenas ou mesmo milhares de anos - só tínhamos fenômenos macroscópicos de grande escala para investigar. As ondas que observamos vieram em muitas variedades diferentes, incluindo:
- as ondulações que o vento provocava nas roupas do varal ou nas velas de um navio,
- ondas de água no mar, oceano ou lago,
- as ondas que se propagaram pelo solo durante um terremoto,
- as ondas que emergiam em uma corda apertada que era dedilhada, batida ou oscilada,
- ou mesmo ondas sonoras, cujos efeitos podiam ser sentidos de forma diferente no ar, na água ou em terra firme.
No caso de todas essas ondas, a matéria está envolvida. Essa matéria fornece um meio para essas ondas viajarem e, à medida que o meio se comprime e rarefaz na direção de propagação (uma onda longitudinal) ou oscila perpendicularmente à direção de propagação (uma onda transversal), o sinal é transportado de um local para outro.

Este diagrama, que remonta ao trabalho de Thomas Young no início dos anos 1800, é uma das imagens mais antigas que demonstram interferência construtiva e destrutiva como decorrentes de fontes de ondas originadas em dois pontos: A e B. Esta é uma configuração fisicamente idêntica a um duplo experimento de fenda, embora se aplique igualmente a ondas de água propagadas através de um tanque. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS SAKURAMBO)
À medida que começamos a investigar as ondas com mais cuidado, um terceiro tipo começou a surgir. Além das ondas longitudinais e transversais, foi descoberto um tipo de onda em que cada uma das partículas envolvidas se movia em um caminho circular — uma onda de superfície — foi descoberto. As características de ondulação da água, que anteriormente se pensava serem exclusivamente ondas longitudinais ou transversais, mostraram também conter esse componente de onda de superfície.
Todos esses três tipos de onda são exemplos de ondas mecânicas, que é onde algum tipo de energia é transportada de um local para outro através de um meio material baseado em matéria. Uma onda que viaja através de uma mola, uma mola, água, a Terra, uma corda, ou mesmo o ar, todos requerem um impulso para criar algum deslocamento inicial do equilíbrio, e então a onda carrega essa energia através de um meio em direção ao seu destino.
Uma série de partículas se movendo ao longo de caminhos circulares pode parecer criar uma ilusão macroscópica de ondas. Da mesma forma, moléculas de água individuais que se movem em um padrão específico podem produzir ondas de água macroscópicas, e as ondas gravitacionais que vemos provavelmente são feitas de partículas quânticas individuais que as compõem: grávitons. (DAVE WHYTE DE ABELHAS E BOMBAS)
Faz sentido, então, que à medida que descobrimos novos tipos de ondas, assumimos que elas têm propriedades semelhantes às classes de ondas que já conhecemos. Mesmo antes de Newton, o éter era o nome dado ao vazio do espaço, onde residiam os planetas e outros objetos celestes. A famosa obra de 1588 de Tycho Brahe, Os fenômenos modernos etéreos do mundo , traduz literalmente como em fenômenos recentes no mundo etéreo.
O éter, supunha-se, era o meio inerente ao espaço pelo qual todos os objetos, de cometas a planetas e a própria luz das estrelas, viajavam. Se a luz era uma onda ou um corpúsculo, porém, foi um ponto de discórdia por muitos séculos. Newton afirmou que era um corpúsculo, que Christiaan Huygens, seu contemporâneo, afirmou que era uma onda. A questão não foi decidida até o século 19, onde experimentos com luz revelaram inequivocamente sua natureza ondulatória . (Com a física quântica moderna, agora sabemos que ela também se comporta como uma partícula, mas sua natureza ondulatória não pode ser negada.)

Os resultados de um experimento, exibidos usando luz laser em torno de um objeto esférico, com os dados ópticos reais. Observe a extraordinária validação da previsão da teoria de Fresnel: que um ponto central brilhante apareceria na sombra projetada pela esfera, verificando a previsão absurda da teoria ondulatória da luz. (THOMAS BAUER EM WELLESLEY)
Isso foi confirmado quando começamos a entender a natureza da eletricidade e do magnetismo. Experimentos que aceleraram partículas carregadas não apenas mostraram que elas eram afetadas por campos magnéticos, mas que quando você dobrava uma partícula carregada com um campo magnético, ela irradiava luz. Desenvolvimentos teóricos mostraram que a própria luz era uma onda eletromagnética que se propagava a uma velocidade finita, grande, mas calculável, hoje conhecida como c , a velocidade da luz no vácuo.
Se a luz fosse uma onda eletromagnética, e todas as ondas precisassem de um meio para se propagar, e – como todos os corpos celestes viajavam pelo meio do espaço – então certamente esse meio, o éter, era o meio pelo qual a luz viajava. A maior questão que restava, então, era determinar quais propriedades o próprio éter possuía.

Na visão da gravidade de Descartes, havia um éter permeando o espaço, e somente o deslocamento da matéria através dele poderia explicar a gravitação. Isso não levou a uma formulação precisa da gravidade que combinasse com as observações. (RENÉ DESCARTES: PRINZIPIEN DER PHILOSOPHIE, TEIL 3)
Um dos pontos mais importantes sobre o que o éter não podia foi descoberto pelo próprio Maxwell, que foi o primeiro a derivar a natureza eletromagnética das ondas de luz. Em uma carta de 1874 para Lewis Campbell, ele escreveu:
Também pode valer a pena saber que o éter não pode ser molecular. Se fosse, seria um gás, e um litro dele teria as mesmas propriedades em relação ao calor, etc., como um litro de ar, exceto que não seria tão pesado.
Em outras palavras, o que quer que fosse o éter – ou mais precisamente, o que quer que as ondas eletromagnéticas se propagassem – ele não poderia ter muitas das propriedades tradicionais que outros meios baseados em matéria possuíam. Não poderia ser composto de partículas individuais. Não poderia conter calor. Não podia transferir energia através dele. Na verdade, praticamente a única coisa que restava ao éter era servir como um meio de fundo através do qual coisas como a luz podiam viajar.
Se você dividir a luz em dois componentes perpendiculares e juntá-los novamente, eles produzirão um padrão de interferência. Se houver um meio pelo qual a luz esteja viajando, o padrão de interferência deve depender de como seu aparelho está orientado em relação a esse movimento. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS STIGMATELLA AURANTIACA)
Tudo isso levou ao experimento mais importante para detectar o éter: o experimento de Michelson-Morley. Se o éter realmente fosse um meio para a luz viajar, então a Terra deveria estar passando pelo éter enquanto ele girava em seu eixo e girava em torno do Sol. Mesmo girando apenas a uma velocidade de cerca de 30 km/s, essa é uma fração substancial (cerca de 0,01%) da velocidade da luz.
Com um interferômetro sensível o suficiente, se a luz fosse uma onda viajando por esse meio, deveríamos detectar uma mudança no padrão de interferência da luz dependendo do ângulo que o interferômetro fez com nossa direção de movimento. Michelson sozinho tentou medir esse efeito em 1881, mas seus resultados foram inconclusivos. 6 anos depois, com Morley, eles atingiram sensibilidades que eram apenas 1/40 da magnitude do sinal esperado. Seu experimento, no entanto, produziu um resultado nulo; não havia nenhuma evidência para o éter.

O interferômetro de Michelson (em cima) mostrou uma mudança insignificante nos padrões de luz (em baixo, sólido) em comparação com o que era esperado se a relatividade de Galileu fosse verdadeira (em baixo, pontilhada). A velocidade da luz era a mesma, independentemente da direção em que o interferômetro estivesse orientado, inclusive com, perpendicular ou contra o movimento da Terra através do espaço. (ALBERT A. MICHELSON (1881); A. A. MICHELSON E E. MORLEY (1887))
Os entusiastas do éter se contorceram em nós tentando explicar esse resultado nulo.
- Talvez o éter estava sendo arrastado por objetos viajando pelo espaço , como a Terra, e é por isso que um resultado nulo foi obtido.
- Talvez há um éter estacionário, imóvel , e à medida que os objetos se moviam através dele, eles experimentaram contração do comprimento e dilatação do tempo, explicando o resultado nulo.
- E talvez, possivelmente, o mesmo éter pelo qual a luz viajou, seja lá o que for, permitiu a propagação da força gravitacional de Newton também .
Todas essas possibilidades, apesar de suas constantes e parâmetros arbitrários, foram seriamente consideradas até o surgimento da relatividade de Einstein. Uma vez que a percepção veio sobre isso as leis da física deveriam ser, e de fato eram, as mesmas para todos os observadores em todos os referenciais , a ideia de um quadro de referência absoluto, que o éter absolutamente era, não era mais necessário ou sustentável.

Se você permitir que a luz venha de fora de seu ambiente para dentro, poderá obter informações sobre as velocidades e acelerações relativas dos dois referenciais. O fato de que as leis da física, a velocidade da luz e todos os outros observáveis são independentes de seu referencial é uma forte evidência contra a necessidade de um éter. (NICK STROBEL AT WWW.ASTRONOMYNOTES.COM )
O que tudo isso significa é que as leis da física não exigem a existência de um éter; eles funcionam muito bem sem um. Hoje, com nossa compreensão moderna não apenas da Relatividade Especial, mas também da Relatividade Geral – que incorpora a gravitação – reconhecemos que tanto as ondas eletromagnéticas quanto as ondas gravitacionais não requerem nenhum tipo de meio para viajar. O vácuo do espaço, desprovido de qualquer entidade material, é suficiente por si só.
Isso não significa, no entanto, que refutamos a existência do éter. Tudo o que provamos, e de fato tudo o que somos capazes de provar, é que, se existe um éter, ele não tem propriedades detectáveis por qualquer experimento que possamos realizar. Não afeta o movimento da luz ou das ondas gravitacionais através dele, em nenhuma circunstância física, o que equivale a afirmar que tudo o que observamos é consistente com sua inexistência.
Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. (Especificamente, para as interações fortes.) Mesmo no espaço vazio, essa energia do vácuo é diferente de zero, e o que parece ser o 'estado fundamental' em uma região do espaço curvo parecerá diferente da perspectiva de um observador onde o espaço curvatura é diferente. Enquanto os campos quânticos estiverem presentes, essa energia do vácuo (ou uma constante cosmológica) também deve estar presente. (DEREK LEINWEBER)
Se algo não tem efeitos observáveis e mensuráveis em nosso Universo de qualquer maneira, forma ou forma, mesmo em princípio, consideramos que essa coisa é fisicamente inexistente. Mas o fato de não haver nada apontando para a existência do éter não significa que entendemos completamente o que é o espaço vazio, ou o vácuo quântico. Na verdade, há uma enorme quantidade de perguntas abertas e sem resposta sobre exatamente esse tópico que assola o campo hoje.
Por que o espaço vazio ainda tem uma quantidade diferente de zero de energia – energia escura, ou uma constante cosmológica – intrínseca a ele? Se o espaço é discreto em algum nível, isso implica em um quadro de referência preferencial, onde esse tamanho discreto é maximizado sob as regras da relatividade? Podem existir ondas de luz ou gravitacionais sem espaço para viajar, e isso significa que existe algum tipo de meio de propagação, afinal?
Como Carl Sagan disse, a ausência de evidência não é evidência de ausência. Não temos provas de que o éter existe, mas nunca podemos provar o negativo: que não existe éter. Tudo o que podemos demonstrar, e demonstramos, é que, se o éter existe, ele não possui propriedades que afetem a matéria e a radiação que observamos.
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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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