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Lógica e raciocínio não são suficientes quando se trata de ciência

Podemos imaginar uma grande variedade de Universos possíveis que poderiam ter existido e, no entanto, a única maneira de entendermos como nosso Universo se comporta é observando o próprio Universo. Sem dados empíricos para nos revelar o Universo como ele é, não teríamos ciência alguma. (JAIME SALCIDO/SIMULAÇÕES PELA COLABORAÇÃO EAGLE)

‘Reductio ad absurdum’ não o ajudará em um universo absurdo.

Ao longo da história, houve duas maneiras principais pelas quais a humanidade tentou obter conhecimento sobre o mundo: de cima para baixo, onde começamos com certos princípios e exigimos autoconsistência lógica, e de baixo para cima, onde obtemos informações empíricas sobre o Universo e em seguida, sintetize-o em uma estrutura maior e autoconsistente. A abordagem de cima para baixo é frequentemente creditada a Platão e é conhecida como a priori raciocínio, com tudo sendo derivável, desde que você tenha um conjunto preciso de postulados. A abordagem bottom-up, ao contrário, é atribuída ao sucessor e grande rival de Platão, Aristóteles, e é conhecida como a posteriori raciocínio: partir de fatos conhecidos, em vez de postulados.

Na ciência, essas duas abordagens andam de mãos dadas. Medições, observações e resultados experimentais nos ajudam a construir uma estrutura teórica maior para explicar o que ocorre no Universo, enquanto nossa compreensão teórica nos permite fazer novas previsões, mesmo sobre situações físicas que não encontramos antes. No entanto, nenhuma quantidade de raciocínio lógico e sólido pode substituir o conhecimento empírico. Repetidas vezes, a ciência demonstrou que a natureza muitas vezes desafia a lógica, pois suas regras são mais misteriosas do que jamais intuímos sem realizar os experimentos nós mesmos. Aqui estão três exemplos que ilustram como a lógica e o raciocínio simplesmente não são suficientes quando se trata de ciência.

A luz de diferentes comprimentos de onda, quando passa por uma fenda dupla, exibe as mesmas propriedades ondulatórias que outras ondas. Mudar o comprimento de onda da luz, assim como mudar o espaçamento entre as fendas, mudará as especificidades do padrão que emerge. (GRUPO DE SERVIÇOS TÉCNICOS DO DEPARTAMENTO DE FÍSICA DO MIT)

1.) A natureza da luz . No início de 1800, havia um debate furioso entre os físicos sobre a natureza da luz. Por mais de um século, a descrição corpuscular da luz de Newton, semelhante a um raio, explicou toda uma série de fenômenos, incluindo a reflexão, a refração e a transmissão da luz. As várias cores da luz do sol foram quebradas por um prisma exatamente como Newton havia previsto; a descoberta da radiação infravermelha por William Herschel alinhava-se perfeitamente com as ideias de Newton. Havia apenas alguns fenômenos que exigiam uma descrição alternativa, ondulatória, que ia além das ideias de Newton, sendo o experimento da dupla fenda o principal deles. Em particular, se você mudasse a cor da luz ou o espaçamento entre as duas fendas, o padrão que surgia também mudava, algo que a descrição de Newton não conseguia explicar.

Em 1818, o Academia Francesa de Ciências patrocinou um concurso para explicar a luz, e o engenheiro civil Augustin-Jean Fresnel apresentou à competição uma teoria ondulatória da luz baseada no trabalho de Huygens – um dos primeiros rivais de Newton. O trabalho original de Huygens não conseguiu explicar a refração da luz através de um prisma, e assim o comitê de julgamento submeteu a ideia de Fresnel a um intenso escrutínio. O físico e matemático Simeon Poisson, através da lógica e do raciocínio, mostrou que a formulação de Fresnel levava a um óbvio absurdo.

Uma previsão teórica de como seria o padrão ondulatório da luz em torno de um objeto esférico e opaco. O ponto positivo no meio foi o absurdo que levou Poisson a descartar a teoria das ondas, como Newton havia feito mais de 100 anos antes. Na física moderna, é claro, existem muitos fenômenos de luz que só podem ser descritos com precisão pela mecânica ondulatória. (ROBERT VANDERBEI)

De acordo com a teoria ondulatória da luz de Fresnel, se uma luz brilhasse em torno de um obstáculo esférico, você obteria uma camada circular de luz com uma sombra escura preenchendo o interior. Fora da sombra, você teria padrões alternados de claro e escuro, uma consequência esperada da natureza ondulatória da luz. Mas dentro da sombra, não estaria escuro o tempo todo. Em vez disso, de acordo com a previsão da teoria, haveria um ponto brilhante bem no centro da sombra: onde as propriedades da onda das bordas do obstáculo interferiram construtivamente.

O spot, conforme obtido por Poisson, era claramente um absurdo. Tendo extraído essa previsão do modelo de Fresnel, Poisson estava certo de que havia demolido a ideia. Se a teoria da luz como onda levou a previsões absurdas, deve ser falsa. A teoria corpuscular de Newton não tinha esse absurdo; previa uma sombra contínua e sólida. Se não fosse a intervenção do chefe da comissão julgadora — François Arago — que insistiu em realizar ele mesmo o absurdo experimento.

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)

Embora isso tenha ocorrido antes da invenção do laser e, portanto, a luz coerente não pudesse ser obtida, Arago foi capaz de dividir a luz em suas várias cores e escolher uma seção monocromática para o experimento. Ele formou um obstáculo esférico e brilhou essa luz monocromática em forma de cone ao redor dele. E eis que, bem no centro da sombra, um ponto de luz brilhante pode ser facilmente visto.

Além disso, com medições extremamente cuidadosas, uma série fraca de anéis concêntricos pode ser vista ao redor do ponto central. Embora a teoria de Fresnel tenha levado a previsões absurdas, a evidência experimental e a Ponto de Arago , mostrou que a natureza obedeceu a essas regras absurdas, não às intuitivas que surgiram do raciocínio newtoniano. Somente realizando o próprio experimento crítico e reunindo os dados necessários diretamente do Universo, poderíamos entender a física que governa os fenômenos ópticos.

Uma seção transversal do Wealden Dome, no sul da Inglaterra, que exigiu centenas de milhões de anos apenas para ser erodida. Os depósitos de giz de ambos os lados, ausentes no centro, fornecem evidências de uma escala de tempo geológica incrivelmente longa necessária para produzir essa estrutura. (CLEM RUTTER, C.C.A.-S.A. 3.0)

2.) Darwin, Kelvin e a idade da Terra . Em meados do século XIX, Charles Darwin estava no processo de revolucionar a forma como concebemos não apenas a vida na Terra, mas também a idade da Terra. Com base nas taxas atuais de processos como erosão, soerguimento e intemperismo, ficou claro que a Terra precisava ter centenas de milhões – se não bilhões – de anos para explicar as características geológicas que estávamos encontrando. Por exemplo, Darwin calculou que o desgaste do Weald, um depósito de giz de duas faces no sul da Inglaterra, exigiu pelo menos 300 milhões de anos para ser criado apenas pelos processos de intemperismo.

Isso foi brilhante, por um lado, porque uma Terra muito antiga forneceria ao nosso planeta um período de tempo longo o suficiente para que a vida pudesse evoluir para sua diversidade atual sob as regras de Darwin: evolução por meio de mutações aleatórias e seleção natural. Mas o físico William Thomson, que mais tarde se tornaria conhecido como Lord Kelvin, reconheceu que essa longa duração era absurda. Se fosse verdade, afinal, a Terra teria que ser muito mais velha que o Sol e, portanto, as longas eras geológicas e biológicas que Darwin exigiu para a Terra devem estar incorretas.

Esta árvore da vida ilustra a evolução e o desenvolvimento dos vários organismos na Terra. Embora todos nós tenhamos emergido de um ancestral comum há mais de 2 bilhões de anos, as diversas formas de vida emergiram de um processo caótico que não se repetiria exatamente, mesmo se rebobinarmos e refazermos o relógio trilhões de vezes. Darwin percebeu que centenas de milhões, senão bilhões, de anos eram necessários para explicar a diversidade de formas de vida na Terra. (EVOGENEAO)

O raciocínio de Kelvin era muito inteligente e representava um enorme quebra-cabeça para biólogos e geólogos da época. Kelvin era um especialista em termodinâmica e conhecia muitos fatos sobre o Sol. Isso incluiu:

• a massa do Sol,
• a distância do Sol à Terra,
• a quantidade de energia absorvida pela Terra a partir do Sol,
• e como a gravitação, incluindo a energia potencial gravitacional, funcionava.

Kelvin descobriu que a contração gravitacional, onde uma grande quantidade de massa encolhe, ao longo do tempo, foi provavelmente o mecanismo pelo qual o Sol brilhou. A energia eletromagnética (de, digamos, eletricidade) e a energia química (de, digamos, reações de combustão) deram ao Sol vidas muito curtas: menos de um milhão de anos. Mesmo que cometas e outros objetos alimentassem o Sol ao longo do tempo, eles não poderiam produzir uma vida útil mais longa. Mas a contração gravitacional poderia dar ao Sol sua produção de energia necessária com uma vida útil de 20 a 40 milhões de anos. Esse foi, de longe, o valor mais longo que ele conseguiu obter, mas ainda era muito curto para dar aos biólogos e geólogos as escalas de tempo de que precisavam. Durante décadas, biólogos e geólogos não tiveram resposta para os argumentos de Kelvin.

Este recorte mostra as várias regiões da superfície e do interior do Sol, incluindo o núcleo, que é o único local onde ocorre a fusão nuclear. Com o passar do tempo, a região que contém hélio no núcleo se expande e a temperatura máxima aumenta, fazendo com que a produção de energia do Sol aumente. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS KELVINSONG)

Como se viu, porém, suas estimativas para as idades da Terra – tanto da perspectiva das escalas de tempo necessárias para os processos geológicos quanto do tempo necessário para a evolução nos dar a diversidade de vida que observamos hoje – não estavam apenas corretas, mas conservador. O que Kelvin não sabia era que a fusão nuclear alimentava o Sol: um processo totalmente desconhecido durante o tempo de Kelvin. Existem estrelas que obtêm sua energia da contração gravitacional, mas essas são anãs brancas, que são milhares de vezes menos luminosas que as estrelas semelhantes ao Sol.

Embora o raciocínio de Kelvin fosse sólido e lógico, suas suposições sobre o que alimentava as estrelas e, portanto, suas conclusões sobre quanto tempo elas viveram, eram falhas. Foi apenas descobrindo o processo físico que sustentava essas esferas celestiais luminosas que o mistério foi resolvido. No entanto, essa conclusão prematura, que rejeitou as evidências geológicas e biológicas com base no absurdo, atormentou o discurso científico por décadas, possivelmente impedindo uma geração de progresso.

Quando uma estrela se aproxima e atinge o periapsis de sua órbita em torno de um buraco negro supermassivo, seu desvio gravitacional para o vermelho e sua velocidade aumentam. Além disso, os efeitos puramente relativísticos da precessão orbital devem afetar o movimento desta estrela em torno do centro galáctico. Órbitas próximas em torno de grandes massas se desviam das previsões de Newton; A Relatividade Geral é necessária. (NICOLE R. FULLER, NSF)

3.) O maior erro de Einstein . No final de 1915, uma década inteira depois de lançar sua teoria da Relatividade Especial para o mundo, Einstein publicou uma nova teoria da gravidade que tentaria substituir a lei da gravitação universal de Newton: a Relatividade Geral. Motivado pelo fato de que as leis de Newton não poderiam explicar a órbita observada do planeta Mercúrio, Einstein embarcou para criar uma nova teoria da gravidade baseada na geometria: onde o próprio tecido do espaço-tempo era curvado devido à presença de matéria e energia .

E, no entanto, quando Einstein a publicou, havia um termo adicional ali que praticamente ninguém previu: uma constante cosmológica. Independente da matéria e da energia, essa constante agia como uma força repulsiva em grande escala, impedindo que a matéria nas maiores escalas colapsasse em um buraco negro. Muitos anos depois, na década de 1930, Einstein a retrataria, chamando-a de seu maior erro, mas originalmente a incluiu porque, sem ela, teria previsto algo completamente absurdo sobre o Universo: seria instável contra colapso gravitacional.

Em um universo que não está se expandindo, você pode preenchê-lo com matéria estacionária em qualquer configuração que desejar, mas sempre se transformará em um buraco negro. Tal Universo é instável no contexto da gravidade de Einstein e deve estar se expandindo para ser estável, ou devemos aceitar seu destino inevitável. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Isso é verdade: se você começar com qualquer distribuição de massas estacionárias sob as regras da Relatividade Geral, inevitavelmente entrará em colapso para formar um buraco negro. O Universo, muito claramente, não entrou em colapso e não está em processo de colapso, e assim Einstein – percebendo o absurdo dessa previsão – decidiu que tinha que jogar esse ingrediente extra nele. Uma constante cosmológica, ele raciocinou, poderia separar o espaço exatamente da maneira necessária para neutralizar o colapso gravitacional em grande escala que ocorreria de outra forma.

Embora Einstein estivesse correto no sentido de que o Universo não estava entrando em colapso, sua correção foi um enorme passo na direção errada. Sem ela, ele teria previsto (como Friedmann fez em 1922) que o Universo deve estar se expandindo ou se contraindo. Ele poderia ter tomado os dados iniciais de Hubble e extrapolado o Universo em expansão, como Lemaître fez em 1927, como Robertson fez independentemente em 1928, ou como o próprio Hubble fez em 1929. Mas como aconteceu, Einstein acabou ridicularizando os primeiros trabalhos de Lemaître, comentando: Seus cálculos estão corretos, mas sua física é abominável. De fato, não foi a física de Lemaître, mas as suposições aparentemente lógicas e razoáveis ​​de Einstein, e as conclusões que delas saíram, que foram abomináveis ​​neste caso.

As observações originais de 1929 da expansão do Universo pelo Hubble, seguidas por observações subsequentemente mais detalhadas, mas também incertas. O gráfico de Hubble mostra claramente a relação redshift-distância com dados superiores aos seus predecessores e concorrentes; os equivalentes modernos vão muito mais longe. Todos os dados apontam para um Universo em expansão. (ROBERT P. KIRSHNER (R), EDWIN HUBBLE (L))

Veja o que os três casos têm em comum. Em todos os casos, entramos no quebra-cabeça com uma compreensão muito boa de quais eram as regras pelas quais a natureza jogava. Percebemos que se impusessemos novas regras, como algumas observações muito recentes pareciam sugerir, chegaríamos a uma conclusão sobre o Universo que era claramente absurda. E que se tivéssemos parado por aí, tendo satisfeito nossas mentes lógicas fazendo uma redução ao absurdo argumento, teríamos perdido a oportunidade de fazer uma grande descoberta que mudou para sempre a forma como entendíamos o Universo.

A lição importante a tirar de tudo isso é que a ciência não é um empreendimento puramente teórico no qual você pode se engajar adivinhando as regras a partir dos primeiros princípios e derivando as consequências da natureza de cima para baixo. Não importa o quão certo você esteja das regras que governam seu sistema, não importa o quão confiante você esteja em qual será o resultado pré-ordenado, a única maneira de obtermos conhecimento significativo do Universo é fazendo perguntas quantitativas que podem ser respondidas através de experimento e observação. Como o próprio Kelvin colocou tão eloquentemente, talvez aprendendo a lição final de suas suposições anteriores,

Quando você pode medir o que está falando e expressá-lo em números, você sabe algo sobre isso; mas quando você não pode medi-lo, quando você não pode expressá-lo em números, seu conhecimento é de um tipo escasso e insatisfatório.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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