As dez maiores ideias da história da ciência
As dez maiores ideias da ciência formam a base da biologia, química e física modernas. Todos devem estar familiarizados com eles.
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Principais conclusões- Dentro Dedo de Galileu , um dos melhores livros populares de ciência já escritos, o professor de química de Oxford, Peter Atkins, descreve as dez maiores ideias da história da ciência.
- Essas ideias formam a base da biologia, química e física modernas.
- Embora as teorias científicas estejam sempre sendo testadas e examinadas em busca de falhas, esses dez conceitos são tão sólidos que é difícil imaginá-los sendo substituídos por algo melhor.
Em seu livro A estrutura das revoluções científicas , Thomas Kuhn argumentou que a ciência, em vez de progredir gradualmente em pequenos passos, como geralmente se acredita, na verdade avança em trancos e barrancos desajeitados. A razão para isso é que as teorias estabelecidas são difíceis de derrubar, e dados contraditórios são frequentemente descartados como meramente anômalos. No entanto, em algum momento, a evidência contra a teoria se torna tão esmagadora que é forçosamente substituída por uma melhor em um processo que Kuhn se refere como uma mudança de paradigma. E na ciência, mesmo as ideias mais amplamente aceitas poderiam, algum dia, ser consideradas o dogma de ontem.
As maiores ideias da ciência
No entanto, existem alguns conceitos que são considerados tão sólidos, que é difícil imaginá-los sendo substituídos por algo melhor. Além disso, esses conceitos alteraram fundamentalmente seus campos, unificando-os e iluminando-os de uma maneira que nenhuma teoria anterior havia feito antes.
Então, quais são essas ideias? Compilar essa lista seria uma tarefa monumental, principalmente porque há tantos bons para escolher. Felizmente, o professor de química de Oxford Peter Atkins fez exatamente isso em seu livro de 2003 O dedo de Galileu: as dez grandes ideias da ciência . A amplitude do conhecimento científico do Dr. Atkins é realmente impressionante, e suas dez opções são excelentes. Embora este livro tenha sido escrito com um público popular em mente, pode ser bastante incompreensível em alguns lugares, mesmo para pessoas com formação em ciência. Mesmo assim, recomendo muito.
Vamos dar uma olhada nas dez grandes ideias (listadas em nenhuma ordem específica).
#1. A evolução ocorre por seleção natural
A capacidade de sintetizar vitamina C foi perdida várias vezes na história evolutiva. ( Crédito : Guy Drouin et al., Genética atual , 2011)
Em 1973, o biólogo evolucionista Theodosius Dobzhansky escreveu um ensaio intitulado Nada na biologia faz sentido exceto à luz da evolução . Até agora, milhares de estudantes em todo o mundo ouviram este título citado por seus professores de biologia.
E por uma boa razão, também. O poder da evolução vem de sua capacidade de explicar tanto a unidade quanto a diversidade da vida; em outras palavras, a teoria descreve como as semelhanças e diferenças entre as espécies surgem por descendência de um ancestral comum universal. Notavelmente, todas as espécies têm cerca de um terço de seus genes em comum , e 65% dos genes humanos são semelhantes aos encontrados em bactérias e eucariotos unicelulares (como algas e leveduras).
Um dos exemplos mais fascinantes de descendência comum é o evolução do gene responsável pela etapa final na síntese de vitamina C . Os humanos têm esse gene, mas está quebrado. É por isso que temos que beber suco de laranja ou encontrar alguma outra fonte externa de vitamina C. Ao sequenciar esse gene e rastrear mutações, é possível rastrear exatamente quando a capacidade de sintetizar vitamina C foi perdida. De acordo com esta árvore filogenética (veja acima), a perda ocorreu em um ancestral que deu origem a toda a linhagem de primatas antropoides. Humanos, chimpanzés, orangotangos e gorilas possuem esse gene quebrado e, portanto, todos eles precisam de uma fonte externa de vitamina C. (Em outros pontos da história evolutiva, morcegos e porquinhos-da-índia também perderam esse gene de vitamina C). muitos mamíferos não precisam de vitamina C em sua dieta porque possuem uma cópia funcional e são capazes de produzi-la por conta própria; é por isso que seu cão ou gato fica bem sem suco de laranja.
A explicação mais satisfatória para essas observações é a descendência com modificação de um ancestral comum.
#2. O DNA codifica informações hereditárias
O código genético traduz trigêmeos de nucleotídeos em aminoácidos. ( Crédito : Mary Ann Clark et al., Biology 2e, OpenStax, 2018.)
Uma encarnação contrária à noção de que ciência e religião estão em conflito, o Pai da Genética não foi outro senão Gregor Mendel, um frade agostiniano. Ele fez experimentos famosos usando plantas de ervilha e, no processo, deduziu os padrões básicos de herança. Ele se referiu a essas unidades hereditárias como elementos; hoje, nós os chamamos de genes. Surpreendentemente, Mendel nem sabia que existia DNA , e Charles Darwin não conhecia nem o DNA nem as descobertas de Mendel .
Não foi até 1952 que os cientistas determinaram que o DNA era a molécula responsável pela transmissão de informações hereditárias. Um experimento conduzido por Alfred Hershey e Martha Chase, usando vírus com enxofre ou fósforo marcados radioativamente para infectar bactérias , demonstrou de forma bastante convincente que este era o caso. Então, em 1953, James Watson e Francis Crick, com a contribuição substancial de Rosalind Franklin, destruíram o mundo biológico com seu modelo de dupla hélice da estrutura do DNA.
A partir daí, foi determinado que as letras (A, C, G, T) da sequência de DNA codificavam a informação. Em grupos de três (por exemplo, ACG, GAA, CCT, etc.), esses nucleotídeos codificam aminoácidos, os blocos de construção das proteínas. Coletivamente, cada combinação possível de três letras é conhecida como código genético. (Veja o diagrama acima. Observe que todo T é substituído por U no RNA.) Eventualmente, o dogma central da biologia molecular emergiu: (1) o DNA é o modelo mestre e é responsável pela herança; (2) o DNA é transcrito em RNA, que atua como mensageiro, transmitindo essa informação vital; e (3) o RNA é traduzido em proteínas, que fornecem funções estruturais e enzimáticas para a célula.
Hoje, sabe-se que as sequências de DNA sozinhas são insuficientes para explicar todos os comportamentos observados no nível celular. Alterações no DNA que não afetam a sequência de letras – conhecidas como mudanças epigenéticas — estão sob intensa investigação. Atualmente, não está claro até que ponto a epigenética é responsável por características hereditárias.
#3. A energia é conservada
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Toda a energia que existe atualmente no Universo é tudo o que sempre existiu e tudo o que existirá. A energia não é criada nem destruída (e é por isso que você deve nunca compre uma máquina de movimento perpétuo ), embora possa ser transformado em massa (e vice-versa). Isso é conhecido como equivalência massa-energia, e todo aluno conhece a equação que a descreve: E = mcdois.
A história da energia começa em grande parte com Isaac Newton. Suas três leis do movimento faziam a bola rolar, por assim dizer, mas não lidavam diretamente com a energia; em vez disso, eles lidaram com a força. Eventualmente, com a ajuda de cientistas como Lord Kelvin, a física começou a se concentrar na energia. As duas formas mais importantes são a energia potencial (energia armazenada) e a energia cinética (energia do movimento). A maioria das outras formas de energia, incluindo energia química e elétrica, são simplesmente manifestações variadas de energia potencial e cinética. Além disso, trabalho e calor não são formas de energia em si, mas são simplesmente métodos de transferi-la.
#4. Entropia: O Universo tende à desordem
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Lei de Murphy afirma: Tudo o que pode dar errado, dará errado. A entropia é como a Lei de Murphy aplicada a todo o Universo.
Simplificando, a entropia é uma medida de desordem, e a Segunda Lei da Termodinâmica afirma que todos os sistemas fechados tendem a maximizar a entropia. Reverter essa tendência cada vez maior para a desordem requer a entrada de energia. É por isso que cuidar da casa é tão cansativo. Deixada sozinha, sua casa ficaria empoeirada, aranhas se mudariam e, eventualmente, ela desmoronaria. No entanto, a energia colocada na prevenção da desordem em um lugar simultaneamente a aumenta em outro lugar. No geral, a entropia do Universo sempre aumenta.
A entropia também se manifesta de outra maneira: não há transferência perfeita de energia. Seu corpo (ou uma célula) não pode utilizar perfeitamente os alimentos como fonte de energia porque parte dessa energia é perdido para sempre para o universo . Então, assim como nas finanças, toda transação vem com um imposto. (O microbiologista da Universidade de Washington, Franklin Harold, gostava de chamar isso de imposto de energia de Deus.)
O ditado comum de que nada na vida é certo, exceto a morte e os impostos, assume um novo significado.
#5. A matéria é feita de átomos
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Ar, água, bactérias, humanos, computadores, estrelas: todos eles são feitos de átomos. Na verdade, os átomos que compõem a Terra (e tudo nela, incluindo nós), originalmente vieram das estrelas, e é por isso que Carl Sagan brincou: Somos feitos de matéria estelar.
Mas o que são átomos? Principalmente espaço vazio, na verdade. Isso significa que você também é um espaço vazio. O centro de cada átomo, chamado núcleo, consiste em prótons carregados positivamente e nêutrons não carregados. Ao redor desse denso aglomerado de positividade estão os elétrons carregados negativamente, que zumbem de forma bastante imprevisível. Originalmente, pensava-se que os elétrons orbitavam o núcleo de uma maneira que se assemelha aos planetas ao redor do sol, os chamados modelo de sistema solar do átomo, pelo qual Niels Bohr é creditado. O modelo é excessivamente simplista e incorreto, mas funciona bem o suficiente para certos cálculos, razão pela qual ainda é ensinado nas aulas de química básica. O modelo acabou sendo substituído pelo mais complexo modelo orbital atômico .
Todos os átomos conhecidos são encontrados na tabela periódica, a peça central de todas as aulas de química. A tabela organiza os átomos de várias maneiras, duas das quais são particularmente importantes: primeiro, os átomos são organizados por número atômico crescente, que representa o número de prótons e define cada elemento. Em segundo lugar, cada coluna na tabela representa o número de elétrons da camada externa em cada átomo. Isso é importante porque os elétrons da camada externa determinam amplamente os tipos de reações químicas nas quais os átomos participarão.
Talvez o aspecto mais fascinante da tabela periódica seja como ela surgiu. O químico russo, Dmitri Mendeleev, criou pela primeira vez a tabela periódica moderna. Mas, faltavam elementos. E usando sua tabela, ele previu corretamente a existência de elementos que ainda não haviam sido descobertos.
#6. A simetria quantifica a beleza
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A simetria, esse conceito um tanto vago que envolve dobrar ou torcer triângulos, cubos e outros objetos de várias maneiras, tem aplicações muito além da aula de geometria do ensino médio. Como se vê, o Universo está cheio de simetria, ou a falta dela .
O rostos humanos mais bonitos também são os mais simétricos. Os átomos em um cristal estão dispostos em um padrão simétrico e repetitivo. Muitos outros fenômenos por toda a natureza exibem uma simetria de tirar o fôlego, de favos de mel a galáxias espirais.
A física de partículas e a astrofísica também são cativadas pelo conceito de simetria. Uma das maiores assimetrias é o fato de que nosso Universo é feito de mais matéria do que antimatéria . Se o Universo fosse perfeitamente simétrico, haveria quantidades iguais de ambos. (Mas então o Universo provavelmente não existiria, já que matéria e antimatéria se aniquilam.) No entanto, como Atkins escreve, o Universo é simétrico E se simultaneamente trocamos partículas por antipartículas…, refletimos o Universo em um espelho…, e invertemos a direção do tempo.
Isso explica por que a Miss Universo é sempre tão bonita?
#7. A mecânica clássica falha em descrever pequenas partículas
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A física clássica de Isaac Newton e James Clerk Maxwell funciona razoavelmente bem para a maioria das aplicações cotidianas. Mas a física clássica é limitada no sentido de que não retrata com precisão a realidade .
O primeiro indício de que algo estava seriamente errado veio da análise da radiação do corpo negro. Imagine um fogão quente: primeiro começa vermelho, depois fica branco à medida que fica mais quente. A física clássica foi incapaz de explicar isso. Max Planck, no entanto, teve uma ideia: talvez a energia liberada viesse em pequenos pacotes chamados quanta. Em vez de a energia assumir valores contínuos, ela assume apenas valores discretos. (Pense na diferença entre uma rampa e uma escada; uma pessoa de pé em uma rampa pode assumir qualquer altura, enquanto uma pessoa de pé em uma escada só tem certas alturas discretas para escolher.) Como se vê, esses quanta de energia luminosa são hoje conhecidas como fótons. Assim, ficou demonstrado que a luz, que até então era geralmente pensada como uma onda, também podia agir como partículas discretas.
Então veio Louis de Broglie, que estendeu o conceito: Todas as partículas podem agir como ondas, e todas as ondas podem agir como partículas. A evidência definitiva para essa ideia veio por meio do famoso experimento de dupla fenda , que mostrou conclusivamente que fótons, elétrons e até moléculas como buckyballs exibem dualidade onda-partícula. (Um laboratório confirmou os resultados desta experiência ainda novamente em maio de 2013.)
Esses dois conceitos, quantização e dualidade onda-partícula, formam o núcleo da disciplina conhecida como mecânica quântica. Dois outros conceitos centrais incluem o princípio da incerteza (isto é, a incapacidade de conhecer com precisão vários pares de características de um sistema) e a função de onda (que, quando elevado ao quadrado, dá a probabilidade de encontrar uma partícula em um determinado local). E o que tudo isso nos dá? Gato de Schrodinger , que está simultaneamente morto e vivo.
Não admira que Stephen Hawking sempre alcançar sua arma .
#8. O Universo está se expandindo
Crédito : NASA / CXC / M. Weiss
Cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, o Universo passou por um período de rápida expansão, conhecido como inflação cósmica. Imediatamente depois disso foi o Big Bang. (Sim, a inflação cósmica ocorreu antes de a grande explosão .) Desde então, o Universo continuou se expandindo.
Sabemos que o Big Bang ocorreu por causa da evidência reveladora que deixou para trás: a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB). À medida que o Universo se expandia, a explosão inicial de luz do Big Bang se esticava. (Lembre-se, a luz pode ser tanto uma onda quanto uma partícula.) Quando a luz é esticada, o comprimento de onda aumenta. Hoje, essa luz não é mais visível a olho nu porque agora habita a faixa de micro-ondas do espectro eletromagnético. No entanto, você ainda pode vê-lo em aparelhos de televisão antigos com antenas; a estático em canais intermediários é parcialmente devido ao CMB.
Mas não apenas o Universo está se expandindo, sua taxa de expansão está acelerando devido à energia escura. E quanto mais longe um objeto está da Terra, mais rápido ele está se afastando de nós. Se você pensou que o Universo era um lugar solitário agora, apenas espere 100 bilhões de anos . Graças à energia escura, não poderemos ver estrelas além de nossa própria galáxia (que, naquele momento, será uma fusão gigante entre as galáxias Via Láctea e Andrômeda e suas galáxias satélites menores).
#9. O espaço-tempo é curvado pela matéria
Crédito : Christopher Vitale de Networkologies e do Pratt Institute
O tecido do nosso universo é o espaço-tempo, que consiste nas três dimensões espaciais (comprimento, largura e altura) combinadas com a dimensão do tempo. Imagine este tecido como uma folha de borracha elástica. E então imagine colocar uma bola de boliche gigante nessa folha. O lençol se enrolaria em torno da bola de boliche, e qualquer objeto colocado perto da bola de boliche rolaria em direção a ela. Esta metáfora para a teoria da relatividade geral de Albert Einstein explica como a gravidade funciona. (Apesar de ser a maior conquista de Einstein, a relatividade geral não é pelo que ele ganhou o Prêmio Nobel; em vez disso, o prêmio foi concedido por seu trabalho no efeito fotoelétrico .)
Mas essa não foi a única contribuição de Einstein. Ele também criou a relatividade especial, que descreve como o tempo diminui para objetos em movimento, especialmente quando eles se aproximam da velocidade da luz.
Curiosamente, o efeitos da relatividade geral e especial devem ser levados em consideração para que os satélites GPS funcionem corretamente. Se esses efeitos não fossem considerados, os relógios da Terra e dos satélites estariam fora de sincronia e, consequentemente, as distâncias relatadas pela unidade GPS seriam extremamente imprecisas. Então, toda vez que você usar seu smartphone com sucesso para encontrar o Starbucks local, agradeça a Albert Einstein.
#10. A matemática é o limite da razão
identidade de Euler. ( Crédito : T.Omine / Adobe Stock)
Fundamentalmente, a matemática não faz sentido. Isso provavelmente não é uma surpresa para aqueles de nós que lutaram em álgebra ou cálculo. Embora seja a linguagem da ciência, a verdade é que a matemática é construída sobre uma base quebrada.
Por exemplo, considere um número. Você acha que conhece um quando vê um, mas é bastante difícil de definir. (Nesse sentido, números são como obscenidade ou pornografia .) Não que os matemáticos não tenham tentado definir números. O campo da teoria dos conjuntos é amplamente dedicado a tal empreendimento, mas não é sem polêmica .
Ou considere o infinito. Georg Cantor fez, e (é especulado por alguns que) ele enlouqueceu no processo. Contraintuitivamente, existe algo como um infinito sendo maior que outro infinito. Os números racionais (aqueles que podem ser expressos como uma fração) constituem um infinito, mas os números irracionais (aqueles que não podem ser expressos como uma fração) constituem um infinito maior. Um tipo especial de número irracional, chamado número transcendental, é particularmente culpado por isso. O transcendental mais famoso é o pi, que não pode ser expresso como fração nem como solução de uma equação algébrica. Os dígitos que compõem pi (3,14159265…) continuam infinitamente sem nenhum padrão específico. A maioria dos números são transcendentais, como pi. E isso leva a uma conclusão muito bizarra: os números naturais (1, 2, 3…) são incrivelmente raros. É incrível que possamos fazer qualquer matemática.
Em sua essência, a matemática está intimamente ligada à filosofia. As questões mais debatidas, como a existência e qualidades do infinito , parecem muito mais de natureza filosófica do que científica. E graças a Kurt Gödel, sabemos que um número infinito de expressões matemáticas são provavelmente verdadeiras, mas improváveis.
Tais dificuldades explicam por que, do ponto de vista epistemológico, a matemática é tão perturbadora: ela coloca um limite finito na razão humana.
Este artigo é adaptado de um versão publicado originalmente no RealClearScience.
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