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OPINIĆO

Joćo Luiz Kohl Moreira

3/09/01


A Simetria das Forças

- Quisera me aposentar para me dedicar integralmente à sua área.

Com essa frase, meu amigo me encarou com gravidade. Continuou:

- Mas, voltado mais para questões práticas e não ...

Tirou o olhar, talvez procurando uma forma menos agressiva para dizer que os físicos são por demais diletantes, ou teóricos, ou proselitistas. Particularmente, eu procurava entender o que ele dizia, pois não vejo ciência mais "prática" do que a física.

- Por exemplo, eu queria pesquisar a "levitação", ou auto-sustentação. Seguindo o exemplo dos "UFOS", eu estudaria uma forma de uma nave se deslocar no espaço usando o campo magnético que ele próprio gera para vencer a gravidade.

Identifiquei, imediatamente, a proposta que, um dia, fez o Sr. Tito Martino, mais conhecido como o líder da "Traditional Jazz Band", grupo paulista, dos melhores no estilo. Quando não toca seu clarinete (divinamente), Tito se dedica à curiosa pesquisa em ufologia, autodenominada ciência que até hoje não conseguiu levantar uma só prova material. O sentimento que tive ao tomar contato com essa "teoria" foi a de que o Sr. Tito Martino talvez nos faria melhor em estender seu tempo de clarinete. Porém é bom que essa questão seja colocada. É preciso esclarecer, afinal! Virei-me para meu amigo e tentei responder o mais didaticamente que pude:

- Isso não é possível pelo simples fato de que não existe monopolo magnético.

Responde meu amigo:

- Pois então, eu trabalharia para criar esse tal de monopolo magnético.

Sem querer, meu amigo levantou o que é uma "lebre" fundamental na teoria do universo. Nosso universo possui características peculiares. Essa - a inexistência de monopolo magnético - é uma delas. Uma outra é a inexistência do "dipolo" gravitacional. Todo um debate é gerado por essas características e está centralizado numa área da física chamada "Teoria do Campo Unificado". Essa ciência foi inaugurada por Einstein e teria sido esta a última e definitiva cooperação dele para o saber do homem sobre a natureza. Diz a lenda que ele foi visto totalmente concentrado no desenvolvimento dela horas antes de falecer. Einstein morreu debruçado sobre suas ferramentas de sempre: o lápis e o papel. Desde então, muito se escreveu e avançou nessa questão. O legado do gênio deixou crias. É comentário frequente entre os físicos que os lugares onde vão os jovens cientistas mais talentosos são os corredores onde ficam as salas dos "físicos de campo e partículas".

Vamos, aqui, tecer alguns comentários a respeito dessa ciência, com fim de descrevê-la ao leitor. Notemos, inicialmente, o enunciado da lei da gravitação universal feita por I. Newton: dois corpos com massa se atraem na razão direta de suas massas e na razão inversa do quadrado da distância entre eles. Tomemos, agora, o enunciado da "lei de Coulomb", para a força eletrostática: "dois corpos carregados eletricamente se exercem uma força proporcional às suas cargas e inversamente proporcional à distância entre eles". Nesse caso, a lei tem algo mais a acrescentar: "caso as cargas sejam opostas haverá atração, do contrário, haverá repulsão". Primeiramente, notemos a semelhança entre as duas leis: ambas dizem que a força é a proporcional ao atributo relevante: massa para a gravitação, carga elétrica para a eletricidade. Em segundo lugar, notemos essa assertiva adicional que possui a lei de Coulomb: a dicotomia entre os atributos da carga elétrica: se da mesma natureza, a força é de repulsão, se natureza oposta, a força é de atração. Essa propriedade aditiva é que a gravitação não tem. Essa é a propriedade de dipolo da eletrodinâmica: a existência de dois polos cujas naturezas se caracterizam pela oposição de propriedades. De maneira geral uma delas é tida como "positiva" e a outra, "negativa". Esses termos foram escolhidos na antigüidade. No caso elétrico eles foram atribuidos mais ou menos arbitrariamente. O "positivo", se dizia, era o atributo da existência do agente elétrico. O "negativo", por sua vez, era definido pela inexistência desse agente. Modernamente, sabemos que a situação é exatamente inversa. Os elétrons, agentes da eletricidade em 90% dos casos (em reações químicas existe a corrente de íons), possuem carga negativa. A excesso de elétrons, portanto, define a carga negativa. A corrente elétrica que conhecemos da tomada é a transferência de elétrons nos fios condutores. De qualquer forma, é muita "coincidência" essa semelhança no enunciado das leis de Newton e de Coulomb..

Tal semelhança não é encontrada, pelo menos diretamente, entre a força eletrostática/gravitacional e a força magnética. Isso é devido ao caráter vetorial desta força. No entanto é possível formular um "correspondente" vetorial dessa lei que é válida para os chamados "campos escalares", mesmo porque, já antes de Einstein, Maxwell havia demonstrado, através de suas equações, que a força elétrica e magnética são diferentes manifestações do mesmo fenômeno físico. Para verificar isso, é fácil imaginarmos uma experiência simples. Isso é visível nas equações de Maxwell. Se fizermos variar o campo elétrico, fazendo acelerar um elétron, por exemplo, um campo magnético vai aparecer. É assim que produzimos o eletroímã. Se, por outro lado, fazemos um ímã se movimentar, um campo elétrico vai se manifestar. É dessa forma que funciona uma usina elétrica, seja ela hidro, termo ou nuclear. Essa "simetria" está contida nas quatro equações de Maxwell, que ficaram conhecidas como "equações do eletromagnetismo" pois colocam no mesmo saco a eletricidade e o magnetismo. Essa simetria diz que o campo elétrico, por sua vez, é uma "expressão" do campo magnético variante, assim como o campo magnético é expressão do campo elétrico variante. A primeira das conclusões de Maxwell foi que aquelas equações que ele tinha acabado de enunciar apontavam como solução geral uma equação de onda, que ao estudar suas propriedades ele descobriu que tinha tudo a ver com a luz! O sucesso das equações de Maxwell foi tão grande que acabou por derrubar a hipótese de Newton, corrente na época, de que a luz era composta de partículas. Essa idéia vigorava, em oposição à hipótese de Huyghens, de que a luz era, em essência, uma composição de ondas. Como poderia a luz ser composta de ondas se ela se propaga no vácuo do espaço? As ondas precisam de um "meio" para se propagar. A descoberta de Maxwell resolvia esse problema pois dispensa o meio material, porque tratam-se de campos elétricos a gerar campos magnéticos e vice-versa, em variações senoidais, sem necessidade de qualquer meio para se propagar. A idéia do caráter corpuscular da luz retornou mais tarde com a enunciação da hipótese de Plank, mas isso já é um outro assunto a ser tratado em um outro dia.

Foi com base nessa "simetria" das equações de Maxwell, e a "coincidência" da lei de Coulomb com a lei da gravitação de Newton que fez Eintein pensar que seria possível descrever todas as forças da natureza com uma só equação, ou, pelo menos, sob um só formalismo. Contudo, essa "unificação" tem implicações extraordinárias. Se a unificação da eletricidade com o magnetismo trouxe a descoberta das ondas eletromagnéticas, a unificação da gravitação com o eletromagnetismo deve nos levar às ondas gravitacionais! Pois levaram a cabo essa unificação e hoje a física experimental está devendo a confirmação da teoria. Existe uma experiência "bem sucedida" na década de 50. Na verdade ela está inscrita como sendo um dos casos mais contundentes de picaretagem científica. Dois americanos reivindicaram a detecção de ondas gravitacionais, em um experimento que se mostrava, nitidamente, improvável de ser capaz de detectá-las. Os autores insistiram na medida e se defenderam dizendo que se tratava de um "evento", logo, sem possibilidade de ser confirmado. Experimentos semelhantes foram desenvolvidos em todas as partes do mundo, sem jamais confirmarem a experência original. O curioso é que hoje em dia, por ter sido publicado no Physical Review, a mais prestigiosa revista de física desde o início do século passado, esse trabalho deve ser citado a cada vez que se fala na detecção de ondas gravitacionais! Mesmo que todo mundo saiba que esse experimento não poderia detectá-la. Para se ter uma idéia, um dos experimentos mais significativos na detecção de ondas gravitacionais, é composto de uma haste de dezenas de quilômetros de extensão. A variação no comprimento dessa haste, por conta de ondas gravitacionais é esperada ser da ordem de alguns milésimos de milimetros. Só o controle da temperatura por toda a haste, acho que exige um dispêndio da ordem do orçamento anual do Observatório Nacional.

Mas as questões que sempre intrigaram os físicos que estudam a origem do universo sob o ponto de vista da teoria do campo unificado são justamente essas: por que não há monopolo magnético? e por que não há dipolo gravitacional? No caso gravitacional, o que vemos são monopolos. Não encontramos "massa negativa" de maneira a fazer com que dois corpos experimentem uma "repulsão" gravitacional, ao invés de atração como vemos ser o fenômeno absoluto nesse nosso universo*. A outra questão é o monopolo magnético. Como vimos, o campo magnético é uma "forma" de "apresentação do campo elétrico". Apesar deste poder ser encontrado na forma de dipolo "+ / -" ou monopolo "+ / +" ou "- / -", os polos do campo magnético não podem ser serparados. Um ímã possui dois polos: o "norte" que se alinha na direção do norte geográfico e o "sul" que se alinha na direção oposta. Se dividirmos o ímã em dois, produziremos dois ímãs com as mesmas propriedades do original: um lado é norte e o outro é sul. Por mais que dividamos o nosso ímã, até chegar ao limite do liga do metal, nunca chegaremos à separação da parte norte da do sul. Se dividirmos mais uma vez, destruimos a liga e suas propriedades magnéticas. No caso de geração artificial de campo magnético, tal situação se repete. Resumindo, não existe monopolo magnético.

Para gerar um formalismo único para as forças da natureza será necessário entender porque o campo gravitacional e o magnético possuem essas características. O exame dessa questão nos leva à origem do universo. Para tratar disso é necessário discutir a chamada "Teoria Padrão" e suas implicações. O assunto não está terminado, felizmente para os físicos que terão um bom tempo com material suficiente para garantir seus empregos.

Creio que esse assunto merece que se fale mais dele...


* A energia gravitacional não foi somente atrativa na história do universo. Vou falar disso futuramente.