• Começa com um estrondo

Por que Johannes Kepler é o melhor modelo de um cientista

Quando as pessoas escolhem o maior cientista de todos os tempos, Newton e Einstein sempre aparecem. Talvez devessem nomear Johannes Kepler, em vez disso.

Principais conclusões

• Os anais da história estão repletos de cientistas que tiveram ideias incríveis e revolucionárias, procuraram e encontraram evidências para apoiá-las e iniciaram uma revolução científica.
• Mas muito mais raro é alguém que tem uma ideia brilhante, descobre que a evidência não se encaixa e, em vez de persegui-la obstinadamente, a joga de lado em favor de uma ideia mais nova, melhor e mais bem-sucedida.
• É exatamente isso que separa Johannes Kepler de todos os outros grandes cientistas ao longo da história, e por que, se tivermos que escolher um modelo científico, devemos admirá-lo tão profundamente.

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Para muitas pessoas no mundo, as três palavras mais difíceis de dizer são simplesmente: “Eu estava errado”. Mesmo que a evidência seja esmagadoramente decisiva de que sua ideia ou concepção não é suportada, a maioria das pessoas encontrará uma maneira de descontar ou ignorar essa evidência e manter suas armas. As mentes das pessoas são notoriamente resistentes à mudança, e quanto maior sua participação pessoal no resultado da questão em debate, menos abertas elas estão até mesmo à possibilidade de que possam estar erradas.

Embora muitas vezes se afirme que a ciência é a exceção a essa regra geral, isso só é verdade para a ciência como um empreendimento coletivo. Em uma base individual, os cientistas são tão suscetíveis ao viés de confirmação – sobrecarregando as evidências de apoio e descontando as evidências em contrário – quanto qualquer pessoa em qualquer outra esfera da vida. Em particular, as maiores dificuldades aguardam aqueles que formularam ideias e investiram enormes esforços, muitas vezes de anos ou mesmo décadas, em hipóteses que simplesmente não podem explicar o conjunto completo de dados que a humanidade acumulou. Isso se aplica até mesmo às maiores mentes de toda a história.

• Albert Einstein nunca poderia aceitar o indeterminismo quântico como uma propriedade fundamental da natureza.
• Arthur Eddington nunca poderia aceitar a degeneração quântica como uma fonte para manter as anãs brancas contra o colapso gravitacional.
• Newton nunca poderia aceitar os experimentos que demonstravam a natureza ondulatória da luz, incluindo interferência e difração.
• E Fred Hoyle nunca poderia aceitar o Big Bang como a história correta de nossas origens cósmicas, mesmo quase 40 anos depois que a evidência crítica, na forma do Fundo Cósmico de Microondas, foi descoberta.

Mas uma pessoa está acima das outras como um exemplo de como se comportar quando as evidências contra sua brilhante ideia aparecem: Johannes Kepler, que nos mostrou o caminho há mais de 400 anos. Aqui está a história de sua evolução científica, um exemplo que todos devemos nos esforçar para imitar.

Este gráfico, de cerca de 1660, mostra os signos do zodíaco e um modelo do sistema solar com a Terra no centro. Por décadas ou mesmo séculos depois que Kepler demonstrou claramente que não apenas o modelo heliocêntrico é válido, mas que os planetas se movem em elipses ao redor do Sol, muitos se recusaram a aceitá-lo, voltando à antiga ideia de Ptolomeu e geocentrismo.

Por milhares de anos, os humanos assumiram que a Terra era um ponto estático, estável e imutável no Universo, e que todos os céus literalmente se moviam ao nosso redor. As observações pareciam apoiar isso: não havia movimento detectável ocorrendo em nossa superfície que suportasse uma Terra que girava em seu eixo ou girava em torno do Sol através do espaço. Em vez disso, foram feitas três observações-chave que ajudaram as pessoas a determinar qual seria o nosso melhor modelo do Universo.

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1. O céu inteiro parecia girar 360 graus ao longo de 24 horas, mais evidente à noite, quando as estrelas giravam em torno do pólo celeste norte ou sul.
2. As próprias estrelas pareciam permanecer fixas em suas posições relativas umas às outras noite a noite e mesmo em escalas de tempo muito mais longas.
3. No entanto, havia alguns objetos que se moviam em relação uns aos outros da noite para a noite ou do dia para dia: os planetas, ou “errantes” do céu.

Além disso, o Sol e a Lua também mudaram durante a noite, assim como todo o dossel de estrelas por longos períodos de tempo. No entanto, foi a primeira observação que levou à concepção estática, estável e imutável do Universo.

Esta visão em timelapse do céu noturno de Hyatt Lake mostra o céu como ele apareceu logo após o solstício de verão em 21 de junho de 2020. O movimento aparente dos objetos no céu da Terra pode ser explicado pela Terra girando sob nossos pés ou pela céus acima girando em torno de uma Terra fixa. Simplesmente observando os céus, não podemos distinguir essas duas explicações.

Pense na observação acima: que tudo no céu parece girar 360 graus ao longo de um dia inteiro. Isso pode ser causado por uma das duas explicações possíveis. Ou a própria Terra estava girando em torno de algum eixo, e nosso mundo completava uma rotação completa uma vez a cada 24 horas, ou a Terra estava estacionária e tudo nos céus girava em torno dela, também uma vez a cada 24 horas.

Como, fisicamente, poderíamos distinguir essas duas situações? As respostas foram duplas.

Primeiro, deveria ser possível, se a Terra estivesse girando, notar uma trajetória curva para objetos em queda. Quanto mais alto eles caíssem, maior seria a curva. No entanto, nenhuma curva foi observada; na verdade, esse efeito não seria medido até a demonstração do pêndulo de Foucault no século XIX.

Em segundo lugar, uma Terra em rotação levaria a uma diferença nas posições relativas das estrelas desde o anoitecer até o amanhecer. A Terra era grande e seu diâmetro havia sido medido com precisão por Eratóstenes no século 3 a.C., portanto, se alguma das estrelas estivesse mais perto do que a maioria delas, uma paralaxe apareceria: semelhante a segurar o polegar e observá-lo mudar em relação à Terra. o fundo enquanto você alternava qual olho você usou para vê-lo. Mas nenhuma paralaxe podia ser vista; na verdade, isso não seria observado até o século 19 também!

As estrelas mais próximas da Terra parecerão mudar periodicamente em relação às estrelas mais distantes à medida que a Terra se move pelo espaço em órbita ao redor do Sol. Antes que o modelo heliocêntrico fosse estabelecido, não estávamos procurando por “mudanças” com uma linha de base de ~ 300.000.000 quilômetros ao longo de ~ 6 meses, mas sim uma linha de base de ~ 12.000 quilômetros ao longo de uma noite: o diâmetro da Terra enquanto girava em seu eixo.

É fácil ver, com base no que sabíamos e pudemos observar na época, como concluiríamos que a Terra era estática e fixa, enquanto os corpos celestes se moviam ao nosso redor.

Então, houve aquelas observações adicionais que exigiam uma explicação: por que as estrelas permaneceram fixas umas em relação às outras enquanto os planetas pareciam “vagar” pelo céu?

Foi rapidamente modelado que os planetas, assim como o Sol e a Lua, devem estar mais próximos da Terra do que as estrelas, e que esses corpos devem estar em movimento um em relação ao outro.

Com uma Terra fixa e estática, isso significava que deviam ser os próprios planetas que estavam em movimento. O movimento deve ter sido incrivelmente complexo, no entanto. Enquanto os planetas pareciam se mover em uma direção em relação ao pano de fundo das estrelas noite a noite, de vez em quando, os planetas:

• desacelerar em seu movimento habitual,
• parar completamente,
• reverter seu movimento para mover-se na direção oposta à sua direção original (um fenômeno conhecido como movimento retrógrado),
• então desaceleraria e pararia novamente,
• e finalmente continuaria em sua direção normal (prograda) de movimento.

Esse fenômeno foi o aspecto mais desafiador do movimento planetário para modelar e entender.

Marte, como a maioria dos planetas, normalmente migra muito lentamente pelo céu em uma direção predominante. No entanto, um pouco menos de uma vez por ano, Marte parecerá desacelerar em sua migração pelo céu, parar, inverter direções, acelerar e desacelerar e depois parar novamente, retomando seu movimento original. Este período retrógrado (oeste para leste) contrasta com o movimento progressivo normal de Marte (leste para oeste).

A suposição predominante, uma vez que a Terra já havia sido considerada estática, era que os próprios planetas normalmente se moviam em trajetórias circulares ao redor da Terra, mas no topo desses círculos havia círculos menores conhecidos como “epiciclos” que também se moviam. Quando o movimento através do círculo menor procede na direção oposta do movimento principal através do círculo maior, o planeta parece inverter o curso por um breve período: um período de movimento retrógrado. Uma vez que os dois movimentos se alinhassem na mesma direção novamente, o movimento progressivo seria retomado.

Embora os epiciclos não tenham começado com Ptolomeu – cujo nome agora são sinônimos – Ptolomeu fez o melhor e mais bem-sucedido modelo do Sistema Solar que incorporou epiciclos. Em seu modelo, ocorreu o seguinte.

• A órbita de cada planeta era dominada por um “grande círculo” que se movia, movendo-se ao redor da Terra.
• Em cima de cada grande círculo, existia um círculo menor (um epiciclo), com o planeta se movendo ao longo da periferia desse pequeno círculo, com o centro do pequeno círculo sempre se movendo ao longo do maior.
• E a Terra, em vez de estar no centro do grande círculo, foi deslocada desse centro por uma quantidade específica, com a quantidade específica diferente para cada planeta.

Essa foi a teoria ptolomaica do movimento epicíclico, levando a um modelo geocêntrico do Sistema Solar.

Um dos grandes quebra-cabeças dos anos 1500 era como os planetas se moviam de maneira aparentemente retrógrada. Isso pode ser explicado através do modelo geocêntrico de Ptolomeu (L), ou heliocêntrico de Copérnico (R). No entanto, obter os detalhes com precisão arbitrária era algo que exigiria avanços teóricos em nossa compreensão das regras subjacentes aos fenômenos observados, o que levou às leis de Kepler e, eventualmente, à teoria da gravitação universal de Newton.

Voltando aos tempos antigos, havia algumas evidências – de Arquimedes e Aristarco, entre outros – de que um modelo centrado no Sol para o movimento planetário era considerado. Mas, mais uma vez, a falta de qualquer movimento detectável para a Terra ou de qualquer paralaxe detectável para as estrelas não forneceu a evidência corroborante. A ideia definhou na obscuridade por séculos, mas foi finalmente revivida no século 16 por Nicolau Copérnico.

A grande ideia de Copérnico era que, se os planetas se movessem em círculos ao redor do Sol, na maioria das vezes, os planetas internos orbitariam mais rapidamente do que os externos. Da perspectiva de qualquer planeta, os outros parecem migrar em relação às estrelas fixas. Mas sempre que um planeta interior passava e ultrapassava um planeta exterior, então o movimento retrógrado ocorreria , já que a direção de movimento aparente normal parece inverter.

Copérnico percebeu isso e apresentou sua teoria de um Sistema Solar centrado no Sol, ou heliocêntrico (em vez de geocêntrico), oferecendo-o como uma alternativa emocionante e possivelmente superior ao modelo mais antigo de Ptolomeu centrado na Terra.

Esta simulação do Sistema Solar ao longo de um ano terrestre mostra o planeta mais interno, Mercúrio, “ultrapassando” a Terra de uma órbita interior três vezes independentes durante o ano. Com o período orbital de Mercúrio de apenas 88 dias, três ou quatro períodos retrógrados existem todos os anos para Mercúrio: o único planeta anualmente com mais de um. Os planetas externos, por outro lado, sofrem retrocesso apenas quando a Terra os ultrapassa: aproximadamente uma vez por ano para todos os planetas, exceto Marte, que os experimenta com menos frequência.

Mas, na ciência, sempre temos que seguir as evidências, mesmo que detestemos o caminho que elas nos levam. Não é a estética, elegância, naturalidade ou preferência pessoal que decide a questão, mas sim o sucesso do modelo em prever o que pode ser observado. Aproveitando as órbitas circulares para os modelos ptolomaico e copernicano, Copérnico ficou frustrado ao descobrir que seu modelo dava previsões menos bem-sucedidas quando comparado com o de Ptolomeu. A única maneira que Copérnico poderia inventar para igualar os sucessos de Ptolomeu, de fato, dependia de empregar a mesma correção ad hoc: adicionando epiciclos, ou pequenos círculos, no topo de suas órbitas planetárias!

Nas décadas seguintes a Copérnico, outros se interessaram pelo Sistema Solar. Tycho Brahe, por exemplo, construiu a melhor configuração de astronomia a olho nu da história, medindo os planetas tão precisamente quanto a visão humana permite: dentro de um minuto de arco (1/60 de grau) durante todas as noites em que os planetas eram visíveis no final de 1500. Seu assistente, Johannes Kepler, tentou fazer um modelo glorioso e bonito que se encaixasse com precisão nos dados.

Dado que havia seis planetas conhecidos (se você incluísse a Terra como um deles) e exatamente cinco (e apenas cinco) sólidos poliédricos perfeitos - o tetraedro, cubo, octaedro, icosaedro e dodecaedro - Kepler construiu um sistema de esferas aninhadas Chamou o Mistério Cosmográfico .

O modelo original de Kepler do Sistema Solar, o Mysterium Cosmographicum, consistia nos 5 sólidos platônicos definindo os raios relativos de 6 esferas, com os planetas orbitando em torno das circunferências dessas esferas. Por mais bonito que seja, não poderia descrever o Sistema Solar tão bem quanto as elipses, ou mesmo tão bem quanto o modelo de Ptolomeu.

Neste modelo, cada planeta orbitava ao longo de um círculo definido pela circunferência de uma das esferas. Fora dele, um dos cinco sólidos platônicos estava circunscrito, com a esfera tocando cada uma das faces em um ponto. Fora desse sólido, outra esfera foi circunscrita, com a esfera tocando cada um dos vértices do sólido, com a circunferência dessa esfera definindo a órbita do próximo planeta. Com seis esferas, seis planetas e cinco sólidos, Kepler fez este modelo onde “esferas invisíveis” sustentavam o Sistema Solar, representando as órbitas de cada Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter e Saturno.

Kepler formulou esse modelo na década de 1590, e Brahe se gabou de que apenas suas observações poderiam testar esse modelo. Mas não importa como Kepler fez seus cálculos, não apenas os desacordos com a observação permaneceram, mas o modelo geocêntrico de Ptolomeu ainda fez previsões superiores.

Diante disso, o que você acha que Kepler fez?

• Ele ajustou seu modelo, tentando salvá-lo?
• Desconfiava das observações críticas, exigindo novas e superiores?
• Ele fez postulados adicionais que poderiam explicar o que realmente estava ocorrendo, mesmo que não fosse visto, no contexto de seu modelo?

Não. Kepler não fez nada disso. Em vez disso, ele fez algo revolucionário: ele colocou suas próprias ideias e seu modelo favorito de lado, e olhou para os dados para ver se havia uma explicação melhor que poderia ser derivada da exigência de que qualquer modelo precisasse concordar com o conjunto completo de observações observacionais. dados.

A segunda lei de Kepler afirma que os planetas varrem áreas iguais, usando o Sol como um foco, em tempos iguais, independentemente de outros parâmetros. A mesma área (azul) é varrida em um período de tempo fixo. A seta verde é a velocidade. A seta roxa direcionada para o Sol é a aceleração. Os planetas se movem em elipses ao redor do Sol (primeira lei de Kepler), varrem áreas iguais em tempos iguais (sua segunda lei) e têm períodos proporcionais ao seu semieixo maior elevado à potência de 3/2 (sua terceira lei).

Se todos pudéssemos ser tão corajosos, tão brilhantes e, ao mesmo tempo, tão humildes diante do próprio Universo! Kepler calculou que elipses, não círculos, se ajustariam melhor aos dados que Brahe havia adquirido com tanto cuidado. Embora desafiasse sua intuição, seu bom senso e até mesmo suas preferências pessoais sobre como ele achava que o Universo deveria ter se comportado - na verdade, ele achava que o Mistério Cosmográfico foi uma epifania divina que lhe revelou o plano geométrico de Deus para o Universo - Kepler foi capaz de abandonar com sucesso sua noção de 'círculos e esferas' e, em vez disso, usou o que lhe parecia uma solução imperfeita: elipses.

Não se pode enfatizar o suficiente que conquista isso é para a ciência. Sim, há muitas razões para criticar o Kepler. Ele continuou a promover sua Mistério Cosmográfico mesmo que fosse claro que as elipses se ajustavam melhor aos dados. Ele continuou a misturar astronomia com astrologia, tornando-se o astrólogo mais famoso de seu tempo. E ele continuou a longa tradição da apologética: afirmando que os textos antigos significavam o oposto do que diziam para conciliar a aceitabilidade do novo conhecimento que havia surgido.

Mas foi por meio dessa ação revolucionária, de abandonar seu modelo por um novo que ele mesmo concebeu para explicar as observações com mais sucesso do que nunca, que as leis do movimento de Kepler foram elevadas ao cânone científico.

Tycho Brahe conduziu algumas das melhores observações de Marte antes da invenção do telescópio, e o trabalho de Kepler alavancou amplamente esses dados. Aqui, as observações de Brahe da órbita de Marte, particularmente durante episódios retrógrados, forneceram uma excelente confirmação da teoria da órbita elíptica de Kepler.

Ainda hoje, mais de quatro séculos depois de Kepler, todos nós aprendemos suas três leis do movimento planetário nas escolas.

1. Os planetas se movem em elipses ao redor do Sol, com o Sol em um dos dois pontos focais da elipse.
2. Os planetas varrem áreas iguais, com o Sol em foco de uma só vez, em quantidades iguais de tempo.
3. E os planetas orbitam em períodos de tempo proporcionais aos seus semieixos maiores (metade do eixo mais longo da elipse) à potência de 3/2.

Esses foram os primeiros cálculos que avançaram a ciência da astronomia para além do reino estagnado de Ptolomeu, e abriram o caminho para a teoria da gravitação universal de Newton, que transformou essas leis de simples descrições de como o movimento ocorria em um que era fisicamente motivado. No final do século XVII, todas as leis de Kepler podiam ser derivadas simplesmente das leis da gravidade newtoniana.

Mas a maior conquista de todas foi o dia em que Kepler colocou sua própria ideia de um Mistério Cosmográfico – uma ideia à qual ele estava indiscutivelmente mais ligado emocionalmente do que qualquer outra – para seguir os dados, onde quer que o levassem. Isso o levou a órbitas elípticas para os planetas, o que deu início à revolução em nossa compreensão do universo físico ao nosso redor, ou seja, as ciências modernas da física e da astronomia, que continua até os dias atuais. Como todos os heróis científicos, Kepler certamente teve suas falhas, mas a capacidade de admitir quando você está errado, rejeitar suas ideias insuficientes e seguir os dados onde quer que eles levem são características que todos devemos aspirar. Não apenas na ciência, é claro, mas em todos os aspectos de nossas vidas.

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