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O que fazer, cientificamente, quando todos estão errados

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. De Andreas Cellarius Harmonia Macrocosmica, 1660/61. (LOON, J. VAN (JOHANNES), CA. 1611–1686)

Quando um grupo diz A e outro grupo diz B, considere que todos podem estar errados.

Um dos maiores inimigos da verdade científica é a configuração de uma falsa dicotomia. Durante décadas, os cosmólogos discutiram sobre a rapidez com que o Universo estava se expandindo: um campo afirmou que a taxa estava em algum lugar entre 50-55 km/s/Mpc com base em um conjunto de evidências, enquanto o outro afirmou que estava entre 90-100 km/s/ Mpc, com base em um conjunto diferente. Após as principais descobertas do Telescópio Espacial Hubble, estamos confiantes de que a resposta não é nenhuma dessas. Mesmo dada a atual controvérsia de hoje sobre o número exato, a taxa é geralmente aceita e conhecida por estar em algum lugar na faixa de 67 a 74 km/s/Mpc.

Praticamente todo mundo estava errado, mas muito poucas pessoas tiveram a ousadia de sugerir uma resposta fora de qualquer um desses intervalos aceitos. Mesmo em meio a uma tremenda controvérsia – mesmo uma em que nenhum dos resultados pudesse explicar todo o conjunto de evidências – os cientistas, as mesmas pessoas que deveriam ser objetivas, geralmente ficavam de um lado ou do outro. Mas não precisamos ser vítimas dessa linha de pensamento. Há uma maneira de fazer melhor, e Johannes Kepler nos mostrou o caminho há quase 400 anos. Aqui está uma história que você pode não ter ouvido antes.

Vênus e Marte, junto com algumas estrelas, no céu do amanhecer em 5 de outubro de 2017 Vênus é o objeto mais brilhante; Marte está abaixo dele. Vênus é o objeto mais brilhante, com Marte abaixo dele e a estrela Sigma Leonis acima dele. Os picos de difração foram adicionados artificialmente. Observe que, como visto pelos olhos humanos, não apenas as estrelas brilham enquanto os planetas não, mas as estrelas permanecem nas mesmas posições fixas noite após noite, enquanto a dos planetas muda. (Foto: VW Pics/Universal Images Group via Getty Images)

Por centenas de milhares de anos, a humanidade foi presenteada com uma visão fascinante sem uma explicação suficiente enquanto observávamos o céu: alguns objetos brilhantes se comportavam de maneira diferente do resto das estrelas fixas. Enquanto todas as estrelas piscavam e permaneciam na mesma posição relativa umas às outras noite após noite, cinco objetos desobedeceram a essas regras. Os errantes do céu noturno – os planetas – não piscavam, mas pareciam migrar lentamente pelo céu noite a noite.

Ainda mais intrigante, a migração foi inconsistente. Na maioria das vezes, cada planeta se move ligeiramente para o leste em relação a onde estava na noite anterior. Mas ocasionalmente (e com regularidade), esses planetas desacelerarão sua migração, inverterão a direção por um tempo (movendo-se para oeste) e depois desacelerarão novamente, retomando seu movimento para leste. Essa inversão de direção ocorre para todos os planetas e é conhecida como movimento retrógrado. Por muito tempo, entender como isso funcionava foi um dos principais objetivos da antiga ciência da astronomia.

De vez em quando, os planetas, que normalmente migram de oeste para leste através dos céus, parecem parar, inverter a direção e viajar na direção retrógrada (leste-oeste) no céu. Aqui, o movimento retrógrado de Marte de março a maio de 2014 é ilustrado, com o movimento progressivo ocorrendo antes e depois. (E. SIEGEL / STELLARIUM)

A humanidade apresentou uma descrição muito bem-sucedida desse movimento cerca de 2.000 anos atrás: o modelo geocêntrico do Sistema Solar. Se você imaginasse a Terra no centro, poderia imaginar que a Lua, os planetas, o Sol e até as estrelas fixas se moviam ao redor da Terra estacionária. Mas quais eram as formas dessas órbitas?

Por causa de nossos próprios preconceitos – não enraizados em nenhuma evidência científica – assumimos que essas órbitas devem ser circulares. Os círculos eram a única forma que fazia sentido para as pessoas e, portanto, eram os únicos considerados. Mas círculos puros e não adulterados não se encaixavam muito bem nas observações, então três novos conceitos foram introduzidos :

• um deferente, que é o grande círculo orbital que um planeta se move ao longo,
• um epiciclo, que é um círculo menor que um planeta se move ao longo de sua órbita viaja o deferente,
• e um equante, que é a quantidade que o centro do deferente é deslocado da posição real da Terra.

Uma ilustração simples mostrando os elementos básicos da astronomia ptolomaica. Mostra um planeta girando em um epiciclo que gira em torno de um deferente dentro de uma esfera cristalina. O centro do sistema está marcado com um X e a Terra está ligeiramente fora do centro. Oposto à Terra está o ponto equante, que é ao redor do qual o deferente planetário realmente giraria. As distâncias foram exageradas assim como a simplicidade para fins de ilustração. (FASTFISSION / WIKIMEDIA COMMONS)

Com essas ferramentas matemáticas à nossa disposição, poderíamos descrever o movimento dos planetas com uma aproximação muito boa, mas não perfeita. Marte, em particular, divergiria periodicamente das previsões deste modelo e depois voltaria à linha. Por mais de 1000 anos, este modelo geocêntrico do Universo foi muito bem sucedido, exigindo apenas pequenos ajustes e modificações ao longo das gerações.

E então, no século 16, uma nova e brilhante proposta foi apresentada. Nicolau Copérnico reviveu uma antiga ideia de que, talvez, a Terra não estivesse no centro do Sistema Solar, mas sim o Sol. A Terra era apenas um planeta como qualquer um dos outros, e todos eles orbitavam em círculos em torno de um centro comum: o Sol.

O que foi mais brilhante nessa sugestão é que ela poderia explicar esse aparente movimento retrógrado dos planetas sem nenhum epiciclo. Em vez de um planeta realmente invertendo a direção no céu, eles apenas pareciam se mover para trás. Na realidade, um planeta interior, movendo-se mais rápido, ultrapassa um exterior, causando essa visão em relação ao pano de fundo de estrelas fixas.

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 nenhum dos dois podia fazer. (ETHAN SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Era uma explicação inteligente e convincente, mas trazia seus próprios problemas. Por um lado, Copérnico não podia prever os movimentos dos planetas com muita precisão apenas com círculos; seu modelo heliocêntrico (centrado no Sol) se saiu muito pior do que o mais antigo, estabelecido e geocêntrico (centrado na Terra). Quando Copérnico tentou melhorar seu modelo inicial, ele começou a adicionar epiciclos às órbitas também, e ainda não conseguiu igualar os sucessos do modelo geocêntrico. Foi um passo importante na direção certa, mas seu trabalho não conseguiu resolver o grande problema – o movimento dos planetas no Sistema Solar – que ele se propôs a resolver.

Cerca de 50 anos depois, Johannes Kepler buscou aprimorar a ideia de Copérnico e desenvolveu um dos mais belos modelos de todos os tempos: o O Mistério do Cosmographicum . Na astronomia, incluindo a Terra, existem seis planetas a olho nu. Em geometria, existem exatamente cinco Sólidos platônicos , ou objetos tridimensionais onde cada lado é um polígono idêntico de ângulos iguais: o tetraedro, o cubo, o octaedro, o dodecaedro e o icosaedro.

Kepler imaginou um sistema solar onde cada sólido estava aninhado dentro do outro, inscrito e circunscrito por esferas celestes, e que cada uma dessas esferas mantinha a órbita de um planeta sobre elas: uma esfera para cada um dos seis planetas.

Ao fazer cada planeta orbitar em uma esfera que era apoiada por um (ou dois) dos cinco sólidos platônicos, Kepler teorizou que deve haver exatamente seis planetas com órbitas precisamente definidas, mas o teste final na ciência deve sempre vir da comparação de previsões teóricas. com observações. (J. KEPLER, MYSTERIUM COSMOGRAPHICUM (1596))

Kepler teve a ideia desse sistema em 1595 e publicou um livro sobre ele dois anos depois. Como Copérnico, ele podia explicar o movimento retrógrado sem recorrer a epiciclos. Ao contrário de qualquer outro modelo da época, no entanto, ele tinha previsões explícitas para as proporções relativas entre as órbitas dos planetas: a geometria não permitia espaço de manobra. E novamente – como o modelo de Copérnico e o modelo geocêntrico – as previsões de seu próprio modelo não conseguiam corresponder aos movimentos observados de todos os planetas, especialmente Marte.

Até este ponto, Kepler não havia feito nada de especial. Havia duas ideias principais: o geocentrismo e o heliocentrismo (quetambém tinha milhares de anos, embora não tão popular quanto o geocentrismo), onde os planetas se moviam em círculos ao redor da Terra ou do Sol. Embora a ideia de Kepler possa ter sido bonita aos olhos de muitos, não foi fundamentalmente diferente. Além disso, não foi mais bem-sucedido pelos padrões científicos; não conseguiu igualar as observações nem mesmo com o melhor modelo geocêntrico da época.

As órbitas dos planetas no sistema solar interno não são exatamente circulares, mas são bastante próximas, com Mercúrio e Marte tendo as maiores partidas e as maiores elipticidades. Além disso, objetos como cometas e asteroides também fazem elipses e obedecem ao resto das leis de Kepler, desde que estejam ligados ao Sol. (NASA/JPL)

Foi aqui que Kepler deu o salto fenomenal que todos devemos apreciar. Na ciência, como na vida, uma das coisas mais desafiadoras a se fazer é pegar uma ideia pela qual estamos apaixonados – principalmente se for a nossa própria ideia que inventamos – e jogá-la fora diante de evidências contraditórias. Teria sido tão fácil para Kepler fazer o que todos antes dele fizeram: recorrer a algum tipo de correção, como epiciclos, na tentativa de salvar seu modelo favorito.

Mas não foi isso que Kepler fez. Em vez disso, ele simplesmente deixou seu modelo de lado e deu uma olhada em dois lados separados do problema:

1. os dados observados, que mostravam quando cada planeta estava onde,
2. e o conjunto completo de conhecimento matemático disponível para ele, o que lhe deu um amplo conjunto de modelos possíveis para escolher na tentativa de ajustar esses dados.

Essa combinação de observação e teoria, de muitas maneiras, anuncia o nascimento da ciência moderna.

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. (WAYNE PAFKO, 2000 / HTTP://WWW.PAFKO.COM/TYCHO/OBSERVE.HTML )

Depois de anos de pesquisa meticulosa, Kepler fez talvez a coisa mais difícil de todas: ele jogou fora a suposição que todos os outros tinham feito. Pela primeira vez, alguém estava considerando modelos de movimento planetário que dependiam de uma forma geométrica diferente de um círculo. Durante séculos, aqueles que estudaram os céus ficaram obcecados com a ideia de que as coisas que aconteciam na Terra eram falhas, mas que os céus eram perfeitos. Objetos matematicamente perfeitos – como círculos e polígonos regulares – pertenciam aos céus, e essa era a história completa. Era o tipo mais perigoso de suposição: um implícito. Todo mundo sabia disso; ninguém o examinou cautelosamente.

Até Kepler, isto é, e seu modelo de órbitas elípticas. Em vez de planetas orbitando em círculos, eles se moviam na forma de uma elipse, com o Sol não no centro, mas em um dos focos da elipse. As proporções geométricas dos parâmetros orbitais dos planetas não estavam em nenhuma proporção exata em particular, mas eram determinadas por suas próprias características internas: coisas como velocidade e distância. De uma só vez, o modelo de Kepler substituiu todos os outros, tornando as previsões mais precisas do que qualquer outro modelo existente.

As três leis de Kepler, de que os planetas se movem em elipses com o Sol em um foco, que varrem áreas iguais em tempos iguais e que o quadrado de seus períodos é proporcional ao cubo de seus semieixos maiores, aplicam-se igualmente a qualquer sistema como eles fazem para o nosso próprio Sistema Solar. (RJHALL / PAINT SHOP PRO)

De uma perspectiva científica, isso serve como um modelo de como todos gostaríamos que a ciência funcionasse. Você tem um conjunto de dados, com muitas interpretações possíveis diferentes, incluindo algumas que parecem malucas, contra-intuitivas ou rebuscadas. Mas cada interpretação – cada modelo teórico individual que procura descrevê-lo – resultará em um conjunto de resultados ou previsões que devem ser conectados a fenômenos observáveis. Quando você olha para o conjunto completo do que foi observado, um modelo bem-sucedido produzirá previsões que são todas consistentes com o que ele prevê, e o fará de uma maneira que é, de alguma forma, superior ao modelo antigo.

É por isso que, se você quiser derrubar ou suplantar o consenso científico sobre um assunto, você tem três obstáculos a serem superados.

1. Você tem que reproduzir, pelo menos tão bem quanto o antigo modelo, todos os seus sucessos teóricos. (Como o movimento retrógrado e as posições dos planetas.)
2. Você tem que explicar, em pelo menos uma instância, algo que o modelo antigo não conseguiu explicar. (Como a órbita observada de Marte.)
3. E você tem que fazer uma nova previsão, que difere da previsão do modelo antigo, que você pode medir. (Kepler não sabia disso na época, mas as fases de Vênus, conforme observadas por Galileu, conseguiram exatamente isso.)

As fases de Vênus, vistas da Terra, podem nos permitir entender como Vênus parece mudar de fase e variar em tamanho dependendo de sua configuração relativa à Terra e ao Sol. Em um modelo geocêntrico, onde Vênus está sempre aproximadamente à mesma distância da Terra, suas mudanças de fase não correspondem às observações. (USUÁRIOS WIKIMEDIA COMMONS NICHALP E SAGREDO)

Hoje, muitas questões, tanto na ciência quanto na sociedade, são erroneamente enquadradas em termos de uma dicotomia: ou é dessa maneira que a maioria das pessoas pensa que é, ou é dessa outra maneira que um pequeno grupo de pessoas inteligentes, indo contra o consenso, pensa que é é. Mas a história nos mostrou que muitas vezes não é o caso. Muitas vezes, são as ideias selvagens e inovadoras que não estão vinculadas às suposições das gerações anteriores que levam aos nossos maiores avanços. Na ciência, seguir as evidências – e não qualquer preconceito de senso comum que possamos ter – é a chave para o sucesso.

No século 19, todos sabiam que as leis da natureza eram deterministas, mas essa suposição só nos impediu quando se tratava da mecânica quântica. No século 18, todos sabiam que havia três dimensões, mas essa suposição nos impediu quando se tratava de relatividade. No século 16, todos sabiam que os planetas se moviam ao longo de trajetórias circulares, mas essa suposição impedia a compreensão da gravitação. Hoje, há muitas coisas que todo mundo sabe também. Talvez questionar e reexaminar algumas de nossas suposições mais caras e as falsas dicotomias que elas produzem sejam exatamente o que precisamos para avançar nossas fronteiras científicas hoje.

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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