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E se Einstein nunca tivesse existido?

Mesmo sem o maior cientista individual de todos, cada um de seus grandes avanços científicos ainda teria ocorrido. Eventualmente.

Niels Bohr e Albert Einstein, discutindo muitos tópicos na casa de Paul Ehrenfest em 1925. Os debates Bohr-Einstein foram uma das ocorrências mais influentes durante o desenvolvimento da mecânica quântica. Hoje, Bohr é mais conhecido por suas contribuições quânticas, mas Einstein é mais conhecido por suas contribuições para a relatividade e equivalência massa-energia. (Crédito: Paul Ehrenfest)

Principais conclusões

• Da velocidade da luz a E = mc² à relatividade geral e muito mais, nenhum cientista na história contribuiu mais para o conhecimento humano do que Albert Einstein.
• No entanto, muitos outros estavam trabalhando nos mesmos conjuntos de problemas e podem ter feito os mesmos avanços-chave, mesmo que Einstein nunca estivesse presente.
• Se Einstein nunca tivesse existido, no entanto, a ciência ainda teria avançado para seu estado atual até hoje? É uma questão fascinante para explorar.

Se você pedir a uma pessoa comum para citar um cientista de qualquer época ou lugar da história, um dos nomes mais comuns que você provavelmente ouvirá é Albert Einstein. O físico icônico foi responsável por um número notável de avanços científicos durante o século 20, e talvez sozinho derrubou a física newtoniana que dominou o pensamento científico por mais de 200 anos. Sua equação mais famosa, E = mc² , é tão prolífico que mesmo as pessoas que não sabem o que significa podem recitá-lo. Ele ganhou o Prêmio Nobel por avanços na física quântica. E sua ideia de maior sucesso – a teoria geral da relatividade, nossa teoria da gravidade – permanece invicta em todos os testes mais de 100 anos depois de Einstein a ter proposto pela primeira vez.

Mas e se Einstein nunca tivesse existido? Outros teriam vindo e feito exatamente os mesmos avanços? Esses avanços teriam ocorrido rapidamente ou teriam demorado tanto que alguns deles talvez ainda não tivessem ocorrido? Seria necessário um gênio de igual magnitude para realizar suas grandes realizações? Ou superestimamos severamente o quão raro e único Einstein era, elevando-o a uma posição imerecida em nossas mentes com base no fato de que ele estava simplesmente no lugar certo na hora certa com o conjunto certo de habilidades? É uma questão fascinante para explorar. Vamos mergulhar.

Os resultados da expedição de Eddington de 1919 mostraram, de forma conclusiva, que a Teoria Geral da Relatividade descrevia a curvatura da luz das estrelas em torno de objetos massivos, derrubando a imagem newtoniana. Esta foi a primeira confirmação observacional da teoria da gravidade de Einstein. (Crédito: London Illustrated News, 1919)

Física antes de Einstein

Einstein teve o que é conhecido como seu ano milagroso em 1905, quando publicou uma série de artigos que revolucionariam várias áreas da física. Mas, pouco antes disso, ocorreu recentemente um grande número de avanços que colocaram em dúvida muitas suposições de longa data sobre o Universo. Por mais de 200 anos, Isaac Newton permaneceu incontestável no reino da mecânica: tanto no reino terrestre quanto no celestial. Sua lei da gravitação universal se aplicava tão bem a objetos no Sistema Solar quanto a bolas rolando colina abaixo, ou balas de canhão disparadas de um canhão.

Aos olhos de um físico newtoniano, o Universo era determinista. Se você pudesse escrever as posições, momentos e massas de cada objeto no Universo, você poderia calcular como cada um deles evoluiria para precisões arbitrárias a qualquer momento. Além disso, espaço e tempo eram entidades absolutas, e a força gravitacional viajava em velocidades infinitas, com efeitos instantâneos. Ao longo dos anos 1800, a ciência do eletromagnetismo também foi desenvolvida, descobrindo relações intrincadas entre cargas elétricas, correntes, campos elétricos e magnéticos e até a própria luz. De muitas maneiras, parecia que a física estava quase resolvida, dados os sucessos de Newton, Maxwell e outros.

Elementos pesados ​​e instáveis ​​decairão radioativamente, normalmente emitindo uma partícula alfa (um núcleo de hélio) ou sofrendo decaimento beta, como mostrado aqui, onde um nêutron se converte em um próton, elétron e neutrino anti-elétron. Ambos os tipos de decaimento alteram o número atômico do elemento, produzindo um novo elemento diferente do original e resultam em uma massa menor para os produtos do que para os reagentes. ( Crédito : Carga Indutiva/Wikimedia Commons)

Até que, isto é, não era. Havia quebra-cabeças que pareciam sugerir algo novo em muitas direções diferentes. As primeiras descobertas da radioatividade já haviam ocorrido, e percebeu-se que a massa era realmente perdida quando certos átomos decaíam. Os momentos das partículas em decomposição não pareciam corresponder aos momentos das partículas originais, indicando que algo não foi conservado ou que algo invisível estava presente. Os átomos foram determinados não serem fundamentais, mas feitos de núcleos atômicos carregados positivamente e elétrons discretos carregados negativamente.

Mas havia dois desafios para Newton que pareciam, de alguma forma, mais importantes do que todos os outros.

A primeira observação confusa foi a órbita de Mercúrio. Enquanto todos os outros planetas obedeciam às leis de Newton até os limites de nossa precisão ao medi-los, Mercúrio não. Apesar de explicar a precessão dos equinócios e os efeitos dos outros planetas, as órbitas de Mercúrio falharam em corresponder às previsões por uma quantidade minúscula, mas significativa. Os 43 segundos de arco extras por século de precessão levaram muitos a levantar a hipótese da existência de Vulcano, um planeta interno a Mercúrio, mas nenhum estava lá para ser descoberto.

A localização hipotética do planeta Vulcano, presumivelmente responsável pela precessão observada de Mercúrio em 1800. Como se viu, Vulcano não existe, abrindo caminho para a Relatividade Geral de Einstein. ( Crédito : Szczureq / Wikimedia Commons)

A segunda talvez tenha sido ainda mais intrigante: quando os objetos se aproximavam da velocidade da luz, eles não obedeciam mais às equações de movimento de Newton. Se você estivesse em um trem a 100 milhas por hora e arremessasse uma bola de beisebol a 100 milhas por hora para a frente, a bola se moveria a 200 milhas por hora. Intuitivamente, isso é o que você espera que ocorra e também o que ocorre quando você realiza o experimento por conta própria.

Mas se você estiver em um trem em movimento e lançar um feixe de luz para frente, para trás ou em qualquer outra direção, ele sempre se moverá na velocidade da luz, independentemente de como o trem esteja se movendo. Na verdade, também é verdade, independentemente da rapidez com que o observador que observa a luz está se movendo.

Além disso, se você está em um trem em movimento e joga uma bola, mas o trem e a bola estão viajando perto da velocidade da luz, a adição não funciona do jeito que estamos acostumados. Se o trem se move a 60% da velocidade da luz e você joga a bola para frente a 60% da velocidade da luz, ele não se move a 120% da velocidade da luz, mas apenas a ~88% da velocidade da luz. Embora pudéssemos descrever o que está acontecendo, não conseguimos explicá-lo. E foi aí que Einstein entrou em cena.

Esta fotografia de 1934 mostra Einstein na frente de um quadro-negro, derivando a Relatividade Especial para um grupo de estudantes e espectadores. Embora a Relatividade Especial seja agora tida como certa, ela foi revolucionária quando Einstein a apresentou pela primeira vez. ( Crédito : domínio público)

Os avanços de Einstein

Embora seja difícil condensar a totalidade de suas realizações em um único artigo, talvez suas descobertas e avanços mais importantes sejam os seguintes.

A equação E = mc² : Quando os átomos decaem, eles perdem massa. Para onde vai essa massa se não for conservada? Einstein tinha a resposta: ela é convertida em energia. Além disso, Einstein teve a correto resposta: Ele é convertido, especificamente, na quantidade de energia descrita por sua famosa equação, E = mc² . Funciona de outra maneira também; desde então, criamos massas na forma de pares matéria-antimatéria a partir de energia pura com base nessa equação. Em todas as circunstâncias em que já foi testado, E = mc² é um sucesso.

Relatividade especial : Quando os objetos se movem perto da velocidade da luz, como eles se comportam? Eles se movem de várias maneiras contra-intuitivas, mas todos são descritos pela teoria da relatividade especial. Há um limite de velocidade para o Universo: a velocidade da luz no vácuo, na qual todas as entidades sem massa no vácuo se movem com precisão. Se você tem massa, você nunca pode alcançar, mas apenas se aproximar dessa velocidade. As leis da relatividade especial ditam como os objetos que se movem perto da velocidade da luz aceleram, adicionam ou subtraem a velocidade e como o tempo se dilata e se contrai para eles.

Esta ilustração de um relógio de luz mostra como, quando você está em repouso (à esquerda), um fóton viaja para cima e para baixo entre dois espelhos na velocidade da luz. Quando você é impulsionado (movendo-se para a direita), o fóton também se move na velocidade da luz, mas demora mais para oscilar entre o espelho inferior e o superior. Como resultado, o tempo é dilatado para objetos em movimento relativo em comparação com objetos estacionários. ( Crédito : John D. Norton/Universidade de Pittsburgh)

O efeito fotoelétrico : Quando você ilumina a luz solar direta em um pedaço de metal condutor, ele pode expulsar os elétrons mais soltos dele. Se você aumentar a intensidade da luz, mais elétrons serão expulsos, enquanto se você diminuir a intensidade da luz, menos elétrons serão expulsos. Mas aqui é onde fica estranho: Einstein descobriu que não se baseava na intensidade total da luz, mas na intensidade da luz acima de um certo limite de energia. Apenas a luz ultravioleta causaria a ionização, não visível ou infravermelha, independentemente da intensidade. Einstein mostrou que a energia da luz era quantizada em fótons individuais e que o número de fótons ionizantes determinava quantos elétrons eram expulsos; nada mais faria isso.

Relatividade geral : Esta foi a maior e mais difícil revolução de todas: uma nova teoria da gravidade governando o Universo. Espaço e tempo não eram absolutos, mas formavam um tecido através do qual todos os objetos, incluindo todas as formas de matéria e energia, viajavam. O espaço-tempo se curvaria e evoluiria devido à presença e distribuição de matéria e energia, e esse espaço-tempo curvo dizia à matéria e à energia como se mover. Quando posta à prova, a relatividade de Einstein teve sucesso onde Newton falhou, explicando a órbita de Mercúrio e prevendo como a luz das estrelas se desviaria durante um eclipse solar. Desde que foi proposta pela primeira vez, a Relatividade Geral nunca foi contradita experimental ou observacionalmente.

Além disso, houve muitos outros avanços que o próprio Einstein desempenhou um papel importante na iniciação. Ele descobriu o movimento browniano; ele co-descobriu as regras estatísticas sob as quais as partículas de bósons operavam; ele contribuiu substancialmente para os fundamentos da mecânica quântica através do paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen; e ele provavelmente inventou a ideia de buracos de minhoca através da ponte Einstein-Rosen. Sua carreira científica de contribuições foi verdadeiramente lendária.

Este lapso de tempo de 20 anos de estrelas perto do centro de nossa galáxia vem do ESO, publicado em 2018. Observe como a resolução e a sensibilidade das características aumentam e melhoram no final, e como todas as estrelas centrais orbitam um ponto invisível : o buraco negro central da nossa galáxia, combinando com as previsões da relatividade geral de Einstein. ( Crédito : ESO/MPE)

A física teria avançado igualmente sem Einstein?

E, no entanto, há muitas razões para acreditar que, apesar da carreira inigualável que Einstein teve, todo o conjunto de avanços que foram feitos por Einstein teria sido feito por outros em muito pouco tempo sem ele. É impossível saber com certeza, mas por tudo isso elogiamos o gênio de Einstein e o consideramos um exemplo singular de como uma mente incrível pode mudar nossa concepção do Universo - como ele, de fato, fez - praticamente tudo o que ocorreu por causa de Einstein teria ocorrido sem ele.

Antes de Einstein, na década de 1880 , o físico J. J. Thomson, descobridor do elétron, começou a pensar que os campos elétricos e magnéticos de uma partícula carregada em movimento devem carregar energia com eles. Ele tentou quantificar a quantidade dessa energia. Era complicado, mas um conjunto simplificado de suposições permitiu a Oliver Heaviside fazer um cálculo: ele determinou que a quantidade de massa efetiva que uma partícula carregada carregava era proporcional à energia do campo elétrico (E) dividida pela velocidade da luz (c) ao quadrado . Heaviside tinha uma constante de proporcionalidade de 4/3 que era diferente do valor verdadeiro de 1 em seu cálculo de 1889, assim como Fritz Hasenöhrl em 1904 e 1905. Henri Poincaré derivou independentemente E = mc² em 1900, mas não entendeu as implicações de suas derivações.

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. ( Crédito : A. A. Michelson 1881 (topo), A.A. Michelson e E.W. Morley 1887 (abaixo))

Sem Einstein, já estávamos perigosamente perto de sua equação mais famosa; parece irreal esperar que não tivéssemos chegado até lá em pouco tempo se ele não tivesse aparecido.

Da mesma forma, já estávamos extremamente próximos da relatividade especial. O experimento de Michelson-Morley demonstrou que a luz sempre se movia a uma velocidade constante e refutou os modelos de éter mais populares. Hendrik Lorentz já havia descoberto as equações de transformação que determinavam como as velocidades se somavam e como o tempo se dilatava, e independentemente junto com George Fitz Gerald , determinou como os comprimentos se contraíram na direção do movimento. De muitas maneiras, esses foram os blocos de construção que levaram Einstein a desenvolver a teoria da relatividade especial. No entanto, foi Einstein quem montou tudo. Novamente, é difícil imaginar que Lorentz, Poincaré e outros trabalhando na interface do eletromagnetismo e da velocidade da luz não teriam dado saltos semelhantes para chegar a essa conclusão profunda. Mesmo sem Einstein, já estávamos tão perto.

O trabalho de Max Planck com a luz preparou o terreno para a descoberta do efeito fotoelétrico; certamente teria ocorrido com ou sem Einstein.

Fermi e Dirac elaboraram as estatísticas para os férmions (o outro tipo de partícula, além dos bósons), enquanto foi Satyendra Bose quem as elaborou para as partículas que levam seu nome; Einstein era apenas o destinatário da correspondência de Bose.

A mecânica quântica, sem dúvida, teria se desenvolvido tão bem na ausência de Einstein.

O comportamento idêntico de uma bola caindo no chão em um foguete acelerado (esquerda) e na Terra (direita) é uma demonstração do princípio de equivalência de Einstein. Medir a aceleração em um único ponto não mostra diferença entre a aceleração gravitacional e outras formas de aceleração; a menos que você possa de alguma forma observar ou acessar informações sobre o mundo exterior, esses dois cenários produziriam resultados experimentais idênticos. ( Crédito : Markus Poessel/Wikimedia commons; retocada por Pbroks13)

Mas a relatividade geral é o grande problema. Com a relatividade especial já em seu currículo, Einstein começou a dobrar na gravidade. Enquanto o princípio de equivalência de Einstein - a percepção de que a gravitação causa uma aceleração e que todas as acelerações são indistinguíveis para o observador - é o que o levou até lá, com o próprio Einstein chamando-o de seu pensamento mais feliz que o deixou incapaz de dormir por três dias, outros estavam pensando na mesma linha.

• Poincaré aplicou a relatividade especial à órbita de Mercúrio, descobrindo que ele poderia ser responsável por cerca de 20% da precessão extra observada dobrando-a.
• Hermann Minkowski, ex-professor de Einstein, formulou a ideia de espaço-tempo, tecendo espaço e tempo juntos em um tecido inextricável.
• Simon Newcomb e Asaph Hall modificaram a lei da gravitação de Newton para explicar a precessão de Mercúrio, dando uma dica de que uma nova teoria da gravidade resolveria o dilema.
• Talvez mais convincente, o matemático David Hilbert também estava brincando com a geometria não euclidiana, formulando o mesmo princípio de ação de Einstein para o movimento no contexto da gravidade, onde o princípio de ação leva às equações de campo de Einstein. Embora Hilbert não tivesse as implicações físicas corretas, ainda chamamos isso de a ação de Einstein-Hilbert hoje.

De todos os avanços que Einstein fez, este foi o que seus colegas estavam mais atrasados ​​quando ele o apresentou. Ainda assim, embora possa ter levado muitos anos ou mesmo décadas, o fato de outros já estarem tão perto de pensar exatamente na mesma linha de Einstein nos leva a acreditar que, mesmo que Einstein nunca tivesse existido, a relatividade geral acabaria caindo no domínio do conhecimento humano.

Uma visão animada de como o espaço-tempo responde à medida que uma massa se move através dele ajuda a mostrar exatamente como, qualitativamente, não é apenas uma folha de tecido, mas todo o espaço se curva pela presença e propriedades da matéria e energia dentro do Universo. Observe que o espaço-tempo só pode ser descrito se incluirmos não apenas a posição do objeto massivo, mas também onde essa massa está localizada ao longo do tempo. Tanto a localização instantânea quanto a história passada de onde esse objeto estava localizado determinam as forças experimentadas pelos objetos que se movem pelo Universo, tornando o conjunto de equações diferenciais da Relatividade Geral ainda mais complicado do que o de Newton. ( Crédito : Lucas VB)

Normalmente, temos uma narrativa sobre como a ciência avança: que um indivíduo, por meio de um simples golpe de gênio, identifica o principal avanço ou maneira de pensar que todos os outros perderam. Sem esse indivíduo, a humanidade nunca teria adquirido esse conhecimento notável que foi armazenado.

Mas, quando examinamos a situação com mais detalhes, descobrimos que muitos indivíduos estavam frequentemente beliscando os calcanhares dessa descoberta pouco antes de ela ser feita. De fato, quando olhamos para trás na história, descobrimos que muitas pessoas tiveram percepções semelhantes umas às outras mais ou menos na mesma época. Alexei Starobinskii juntou muitas das peças da inflação antes de Alan Guth; Georges Lemaître e Howard Robertson montaram o Universo em expansão antes do Hubble; e Sin-Itiro Tomonaga elaborou os cálculos da eletrodinâmica quântica antes de Julian Schwinger e Richard Feynman.

Einstein foi o primeiro a cruzar a linha de chegada em várias frentes científicas independentes e notáveis. Mas se ele nunca tivesse aparecido, muitos outros estavam logo atrás dele. Embora ele possa ter possuído todo o gênio deslumbrante que muitas vezes atribuímos a ele, uma coisa é quase certa: o gênio não é tão único e raro como muitas vezes supomos que seja. Com muito trabalho duro e um pouco de sorte, quase qualquer cientista devidamente treinado pode fazer um avanço revolucionário simplesmente tropeçando na realização certa na hora certa.

Neste artigo história física de partículas Espaço e Astrofísica

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