2005, o ano de Einstein *

Antônio Cleves Nunes Oliveira

O ano de Einstein marca o centenário dos três trabalhos de Einstein publicados em 1905. Mas, porque toda essa euforia nas universidades e centros de física ao redor do mundo? O que foram estes trabalhos e que importância tiveram para o desenvolvimento da física e a tecnologia moderna? São eles: movimento browniano; o efeito fotoelétrico com o qual Einstein ganhou seu único prêmio Nobel; e a relatividade especial.

Lembre-se que Einstein, popularmente conhecido por sua cabeleira branca e a língua de fora, tinha só 26 anos em 1905. A seguir descrevemos dois desses trabalhos.

Em 1827, o biólogo Robert Brown notou que ao olhar grãos de pólen em água, através de um microscópio, o pólen ziguezagueava por todos os lados. Ele chamou esse movimento em ziguezague de “movimento browniano” em sua homenagem, mas, infelizmente Brown não deu uma explicação para o efeito em pauta. O primeiro dos três artigos que Einstein publicou em 1905 finalmente trouxe uma explicação para o problema de Brown.

Todas as coisas em volta de nós são feitas de átomos e moléculas. A idéia de átomos foi introduzida desde os antigos gregos e, um século antes de Einstein, o grande químico John Dalton sugeriu que todos as substâncias químicas eram feitas de moléculas pequeninas invisíveis, as quais por sua vez eram compostas de átomos menores ainda. O problema foi que não se tinha prova nenhuma de sua existência, até que Einstein explicou o fenômeno do movimento browniano.

Einstein imaginou que o ziguezague dos grãos de pólen no movimento browniano era devido às moléculas de água atingindo os pequenos grãos de pólen. Os grãos de pólen eram visíveis, mas as moléculas de água não. Einstein mostrou também que era possível dizer quantas moléculas atingiam os grãos de pólen e quão rápido elas se moviam, apenas olhando o movimento dos grãos de pólen. Importantíssimo mesmo foi que esse trabalho fez predições acerca das propriedades dos átomos que podiam ser testadas experimentalmente. O físico francês Jean Perrin usou essas predições para calcular o tamanho de átomos e remover qualquer dúvida remanescente sobre a existência dos mesmos.

Na física do século 20, duas idéias floresceram, totalmente revolucionárias: a relatividade e a teoria quântica. Embora Einstein seja mais conhecido por sua teoria da relatividade, ele teve um papel fundamental no desenvolvimento da teoria quântica. E foi sua contribuição a essa última, explicando o efeito fotoelétrico, que deu a ele o Prêmio Nobel em 1921.

Figura do efeito fotoelétrico

O efeito fotoelétrico é o nome dado á observação de que quando um pedaço de metal é iluminado com luz, uma pequena corrente elétrica flui através do metal. A luz passa sua energia aos elétrons, nos átomos do metal, permitindo a eles se moverem dentro do mesmo, produzindo a corrente. Contudo, nem todas as cores de luz afetam os metais dessa maneira. Não importa quão brilhante uma luz vermelha seja, mesmo assim ela não produzirá nenhuma corrente elétrica em um metal, mas uma luz azul mesmo bem tênue, resultará numa corrente fluindo no metal. O problema com esse resultado intrigante no que concerne a essas duas cores, é que ele não pode ser explicado se a luz é vista do ponto de vista de uma onda. Ondas grandes têm grandes quantidades de energias enquanto ondas pequenas têm pouca. Portanto, se a luz tem um caráter ondulatório, seu brilho afeta a quantidade de energia no sentido de que quanto mais brilhante a luz, maior a onda e mais energia ela terá. Dessa forma, as diferentes cores da luz são definidas pela quantidade de energia que elas possuem. Einstein percebeu que a única maneira de se explicar o efeito fotoelétrico era dizer que a luz, em vez de ser uma onda, como era geralmente aceito até então, é, na verdade, feita de muitos pacotes pequenos de energia chamados fótons que se comportam como partículas. Einstein não foi a primeira pessoa a usar a idéia de fótons, mas foi o primeiro a usar os fótons como ponto de partida para uma explicação em vez de um conveniente “chute” para explicar alguns resultados esquisitos como o fez Max Planck em 1901 para explicar a análise da intensidade da luz em função do comprimento de onda da radiação proveniente de uma cavidade incandescente. Exemplos de utilização desse efeito fotoelétrico são as portas de elevadores, alarmes de segurança de bancos, segurança de peças de valores em exposições e museus etc.

A explicação de Einstein para o efeito fotoelétrico foi somente o começo de uma avalanche de descobertas as quais se tornaram a teoria quântica. Nessa teoria, luz não é somente uma partícula ou apenas uma onda; ela pode ser tanto uma coisa como a outra, dependendo de como ela é medida. E foi descoberto mais tarde que mesmo os elétrons não são apenas partículas (dentro de um tubo de televisão), mas são também ondas (nos chips de computador e de celulares). Nos dias atuais, cem anos depois, essa contribuição de Einstein tem dado à sociedade uma vida cheia de conforto como, por exemplo, os já citados telefones celulares e computadores, cd-players, palmtops, localizadores GPS, nanodispositivos (spintrônica), nanosensores para exames médicos e quem sabe, em um futuro não tão distante, o computador quântico e o teletransporte de objetos.

Antonio Cleves Nunes Oliveira é professor titular e diretor do Instituto de Física da Universidade de Brasília (UnB).

* Este artigo foi publicado originalmente no Jornal da Ciência, em 14 de fevereiro de 2005.