PRESIDENTE DA REPÚBLICALuiz Inácio Lula da Silva

MINISTRO DE ESTADO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIAEduardo Campos

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EDITORES CIENTÍFICOSJoão dos Anjos (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas/MCT)Ildeu de Castro Moreira (Instituto de Física/Universidade Federal do Rio de Janeiro)

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Vitae não compartilha necessariamente dos conceitos e opiniões expressos neste trabalho,que são da exclusiva responsabilidade dos autores.

BRIAN, D. Einstein – A ciência da vida (Ática, São Paulo, 1998)CIÊNCIA & AMBIENTE. Einstein (Universidade Federal de SantaMaria, vol. 30, 2005)EINSTEIN, A. Teoria da relatividade especial e geral(Contraponto, Rio de Janeiro, 1999)EINSTEIN@HOME in World of Physics 2005(www.physics2005.org)FRIEDMAN, A. e DONLEY, C. Einstein – As myth and muse(Cambridge University Press, Cambridge, 1990)FURTADO, F. e VIEIRA, C. L. ‘As visões de Einstein’(entrevista com John Stachel) in Ciência Hoje(n. 214, abril de 2005)MOREIRA, I. C. ‘1905: O ano miraculoso’ in Ciência Hoje(vol. 36, n. 212, jan/fev 2005)MOREIRA, I. C. e VIDEIRA, A. A. P. (orgs.) Einstein e o Brasil (UFRJ,Rio de Janeiro, 1996)

Font

es

PAIS, A. Einstein viveu aqui (Nova Fronteira,Rio de Janeiro, 1997)PAIS, A. Sutil é o senhor – A ciência e a vida de Albert Einstein(Nova Fronteira, Rio de Janeiro, 1995)STACHEL, J. (ORG.) Ano Miraculoso de Einstein– cinco artigos que mudaram a face da física(Editora UFRJ, Rio de Janeiro, 2001)SUJIMOTO, K. Albert Einstein – A photographic biography(Schocken Books, Nova York, 1989)TOLMASQUIM, A. Einstein – O viajante da relatividadena América do Sul (Vieira & Lent, Rio de Janeiro, 2004)WHITACKER, A. Einstein, Bohr and the Quantum Dilemma(Cambridge University Press, 1996)WHITROW, G. J. Einstein – The man and his achievement(Dover, Nova York, 1973)

Sum

ário2005

foi escolhido pela União Internacional de Física Pura e Aplicada como o

Ano Mundial da Física – decisão, aliás, sancionada pela Organização das

Nações Unidas a pedido do representante brasileiro nesse organismo.

A razão é celebrar os cem anos dos trabalhos feitos por Albert Einstein em 1905.

Naquele ano, ele ajudou a mostrar, por exemplo, que a matéria é formada por átomos,

que massa e energia são grandezas equivalentes – através de sua famosa fórmula

E = mc2 – e que a luz tem uma constituição corpuscular.

Tantos trabalhos importantes e revolucionários em um só ano merecem, sem dúvida,

ser lembrados sempre. Assim, aproveitamos este folder para falar um pouco desses

trabalhos – que mudaram tão profundamente nossa visão do macro e microuniverso

– e da vida de Einstein, certamente um dos maiores cientistas de todos os tempos.

Damos, assim, prosseguimento às atividades de divulgação científica realizadas pelo

CBPF, através desta série, que se destina ao público não especializado.

Mais uma vez, esperamos que mais esta iniciativa sirva para despertar vocações

entre os jovens estudantes.

João dos Anjos

COORDENADOR DO PROJETO DESAFIOS DA FÍSICA

A EFEMÉRIDEBerço, livro e charutoAno miraculoso

O EFEITOFOTOELÉTRICOElétrons que saltamPartículas de luzIdéia mais revolucionária

A TESEO mais obscuroÁgua com açúcarO mais citado

O MOVIMENTOBROWNIANOZigue-zague erráticoAtravés de um microscópioRealidade deátomos e moléculas

Ano

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sicaAno Miraculoso

de Einstein

100 anos da publicação dosartigos que mudaram a física

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A RELATIVIDADEAssombrados pelo éterDois postuladosRevisão radicalE=mc2

Restrita

A VIDAA infânciaA juventudeEm BernaEm BerlimEm Princeton

O CONTEXTOCriatividade e caminhosFama mundial

EINSTEIN HOJELaser e átomo giganteBuracos negrose ondas gravitacionaisDimensões extrasNo mundo nano

Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas

2005

A TESEO MAIS OBSCURO • ‘Uma nova determinação dasdimensões moleculares’. Esse é o título do trabalhomais obscuro daquele ano, completado em 30 deabril. Com ele, Einstein obteve, em 15 de janeiro de1906, o título de doutor pela Universidade de Zuri-que. Nessa tese, Einstein apre-sentou um novo métodopara determinar, entreoutras grandezas, osraios de moléculas.

A VIDAA INFÂNCIA • Einstein nasceu em 14 de março de1879, uma sexta-feira, às 11h30 da manhã, em Ülm(sul da Alemanha). Foi o primeiro filho de Hermann(1847-1902) e Pauline Einstein (1858-1920) – doisanos depois, nasceria Maja (Maria, 1881-1951), suairmã e último filho do casal. Em 1880, a família mu-dou-se para Munique, onde seu pai montou umpequeno negócio de produtos eletrome-cânicos. Einstein ingressou em umaescola católica da cidade, onde semostrou um aluno tímido, porémaplicado. Mais tarde, foi estudarno Ginásio Luitpold, cujo métodode ensino classificaria como “mili-tar”. Continuou a ser bom aluno,apesar de ter dificuldades com lín-guas, principalmente grego.

O EFEITOFOTOELÉTRICOELÉTRONS QUE SALTAM • Naquele início de sé-culo, o chamado efeito fotoelétrico – no qual a luz(radiação eletromagnética) arranca elétrons decertos metais – ainda intrigava os físicos. Abaixode certa freqüência da luz incidente, por maiorque fosse a intensidade luminosa, elétrons nãoconseguiam escapar do metal. Quando se aumen-tava a intensidade da radiação, esperava-se, comoprevia a teoria, que elétrons mais energéticos sal-tassem. Porém, notava-se apenasum aumento na quantidade de par-tículas ejetadas, todas dotadas damesma energia. Porém, ao se au-mentar a freqüência da luz inci-dente – indo da luz visível para oultravioleta, por exemplo –, oselétrons também se tornavammais energéticos. A explicaçãopara isso tudo escapava à físi-ca da época.

PARTÍCULAS DE LUZ • Tenta-tivas teóricas já haviam sidofeitas para solucionar a dis-paridade entre teoria e ex-perimento. Mas foi o artigo‘Sobre um ponto de vista heurístico rela-tivo à produção e à transformação da luz’, de 17de março – portanto, o primeiro concluído naque-le ano – que resolveu o problema. Nele, Einsteinadotou uma hipótese aparentemente simples: aluz é formada por partículas, os quanta de luz,que passaram, em 1926, a ser chamados fótons.

mento parecerá mais curto quando medido por al-guém parado na plataforma – esta é a chamadacontração espacial; iii) o que parece simultâneo pa-ra um passageiro no vagão em movimento podeparecer não ter ocorrido ao mesmo tempo para umapessoa na plataforma – este é o problema da si-multaneidade. No entanto, esses fenômenos sósão significativos – e podem ser medidos – quando

nosso vagão imaginário se aproxima da velo-cidade da luz no vácuo. Nas velocidades a

que estamos acostumados no dia-a-dia,esses efeitos são imperceptíveis.

E=MC2 • Em setembro de 1905, Eins-tein percebeu outras conseqüênciasdos dois postulados. Em um artigode três páginas, com o titulo ‘A inér-cia de um corpo depende de seu con-teúdo energético?’, deduziu a fórmu-la mais famosa da ciência: E = mc2.Ela indica que quantidades mínimas

de massa (m) – no caso, multiplicadapela velocidade da luz ao quadrado

(c2) – podem gerar enormes quantida-des de energia (E).

RESTRITA • Unidos, esses dois artigos passarama ser denominados teoria da relatividade restrita –restrita, no caso, por lidarem apenas com situaçõesem que os observadores não estão acelerados. Porfim, é preciso dizer que o matemático francês HenriPoincaré (1854-1912) e o físico holandês HendrikLorentz (1853-1928) já haviam deduzido muitas dasexpressões matemáticas contidas nos dois artigos einfluenciaram fortemente o trabalho de Einstein.

A JUVENTUDE • Em 1896, ma-triculou-se no curso de forma-ção de professores de matemá-tica e física da Escola Politécni-ca de Zurique – nessa época,renunciou à cidadania alemã.Na graduação, faltou a muitasaulas para estudar por contaprópria e passou nos examescom ajuda das anotações de um

colega de classe, Marcel Grossmann (1878-1936).Sua futura mulher, Mileva Maric (1875-1948),

era sua colega de turma e parceira em discus-sões sobre física nesse período.

EM BERNA • Depois de formado, Einsteindeu aulas particulares para se manter, for-mando nesse período um grupo de discus-são sobre filosofia e ciência, a Academia

Olímpia, com dois colegas. Em 1902, arrumouum emprego como técnico de 3a classe do Es-

critório de Patentes em Berna. No ano seguin-te, casou-se com Mileva, com quem, pouco antes,

havia tido uma filha, Lieserl, nascida no início de

O CONTEXTOCRIATIVIDADE E CAMINHOS •Como um só homem, trabalhan-do de forma aparentemente isola-da da comunidade científica desua época, pôde chegar a tamanhaprodução e de tão alto nível em um sóano? Explicar a criatividade de Einstein e oscaminhos que o levaram àqueles artigos é uma ta-refa complexa. É preciso levar em conta uma mul-titude de fatores pessoais e do contexto em queEinstein estava inserido.

FAMA MUNDIAL • Em 1919, Einstein ganhou fa-ma mundial com a comprovação de uma das pre-visões da teoria da relatividade geral – o encurva-mento da luz nas proximidades do Sol – em um

eclipse solar observadoem Sobral (Ceará) e naIlha de Príncipe, na costaoeste africana. O momen-to – final da Primeira Guer-ra Mundial, que haviaassombrado o mundo –mostrou-se propício paraque os trabalhos de Eins-

tein se destacassem. Na década de 1920, Einstein,já famoso, fez grandes viagens pelo mundo. Em umdelas, em 1925, visitou Argentina, Uruguai e pas-sou uma semana no Rio de Janeiro, em maio, ondefez palestras e passeou pela cidade.

A energia da radiação vem, portanto, em pacotes(fótons). Com isso, o efeito fotoelétrico ganhou umaexplicação que podia ser testada experimental-mente: aumentar a intensidade da luz significaapenas aumentar o número de fótons de mesmaenergia que incidem sobre o metal. Aumentar afreqüência da luz torna os fótons mais energé-ticos, pois sua energia, pela proposta de Einstein,é proporcional à freqüência – e isso faz com queos elétrons ganhem mais energia nas colisões comos fótons que os ejetam.

IDÉIA MAIS REVOLUCIONÁRIA • A idéia de quea luz tem natureza corpuscular foi classificada por

Einstein como a “mais revolucionária” desua vida. Em 1915, o físico nor-te-americano Robert Millikan(1868-1953), ao contrário do quepretendia inicialmente, chegoua resultados que confirmavama previsão de Einstein sobre oefeito fotoelétrico. Foi principal-mente por essa previsão quan-titativamente correta que Einsteinganhou o Nobel de 1921 – o prêmionão cita ‘quanta de luz’, cuja rea-lidade era ainda controversa. Po-rém, as dúvidas começaram a serdizimadas em 1923 com a descober-ta do efeito Compton – no qual a luz,ao se chocar contra um elétron, com-

porta-se como um corpúsculo, perdendo energia– e com os experimentos conduzidos, dois anosdepois, pelos físicos alemães Hans Geiger (1882-1945) e Walther Bothe (1891-1957) e tambémcom os resultados dos norte-americanos ArthurCompton (1892-1962) e Alfred Simon.

A RELATIVIDADEASSOMBRADOS PELO ÉTER • O som é uma onda(mecânica) e, portanto, precisa de um meio (gaso-so, líquido ou sólido) para se propagar. Raciocíniosemelhante levou à hipótese de que era necessárioum meio – que preencheria todo o espaço – paraservir de suporte para a propagação da luz e dasoutras ondas eletromagnéticas. No final do século19, o chamado éter, no entanto, passou a assombraros físicos, que não conseguiam determinar suaspropriedades mecânicas e nem mesmo o mo-vimento da Terra em relação a ele.

DOIS POSTULADOS • Recebido parapublicação em 30 de junho, o artigo‘Sobre a eletrodinâmica dos corposem movimento’ declararia a mortedo éter com base em dois postula-dos: i) as leis da física são as mes-mas para observadores inerciais, ouseja, que se movem sem aceleração(princípio da relatividade); ii) a velo-cidade da luz no vácuo (cerca de 300mil km/s) é sempre a mesma, indepen-dentemente de a fonte emissora estarparada ou em movimento, ou seja, a velo-cidade da luz é uma constante da natureza.

REVISÃO RADICAL • A adoção desses dois postu-lados levou a uma revisão radical das noções sobreo espaço e o tempo. Em termos simples e com baseem fenômenos do cotidiano, pode-se dizer que: i) orelógio de um passageiro dentro de um vagão emmovimento andará mais devagar quando compara-do àquele da estação – esta é a chamada dilataçãotemporal; ii) o comprimento de um vagão em movi-

AÇÚCAR COM ÁGUA • Einstein usou como mo-delo o açúcar dissolvido na água e obteve boaconcordância com os dados experimentais dis-poníveis na época. Ele formulou um modo indi-reto que permitia estimar as dimensões de mo-léculas dissolvidas em um líquido, bastando,para isso, conhecer a viscosidade do líquido –no caso, antes e depois da dissolução do açúcar– e como as moléculas nele imersas se ‘espa-lham’ (difundem).

O MAIS CITADO • Ainda em 1901, Einstein haviaenviado à Universidade de Zurique outra tese,mas retirou-a, no ano seguinte, depois de seralertado de que o trabalho poderia ser rejeitadopela falta de dados experimentais que compro-vassem seus resultados teóricos. A tese de 1905se tornaria seu trabalho mais citado na literaturacientífica moderna. Razão: tem grande aplicaçãoem outras áreas, da físico-química à construçãocivil, da indústria de alimentos à ecologia.

1902 e cujo destino hoje é desco-nhecido. O casal teria mais doisfilhos: Hans Albert (1904-1973),que se tornaria um renomado en-genheiro hidráulico e um dosmaiores especialistas em sedi-mentos do século passado, eEduard (1910-1965), que, esqui-zofrênico, morreria em uma clíni-ca psiquiátrica na Suíça.

EM BERLIM • Em 1909, Einstein pediu de-missão do Escritório de Patentes para se tor-nar professor de física teórica da Universi-dade de Zurique. Mais tarde – principalmen-te por questões financeiras –, transferiu-separa a Universidade Alemã de Praga para,pouco depois, voltar à Politécnica, onde umcargo de assistente havia sido negado a eleem 1900. Em 1913, recebeu convite para sermembro da prestigiosa Academia Prussiana

de Ciências e professor da Universidade de Ber-lim. Em 1915, terminou a relatividade geral, umaextensão dos trabalhos de 1905 que continha umanova teoria da gravitação.

EM PRINCETON • Em 1932, aceitou propostapara trabalhar no recém-fundado Instituto de Es-tudos Avançados, em Princeton (Estados Unidos).Deixou a Alemanha por causa da ascensão do na-

zismo – ao qual se opunha fortemen-te – e das perseguições aos judeus.Viveu em Princeton até sua morte,em 18 de abril de 1955, dividindoseus últimos anos de vida entre ten-tativas infrutíferas para construiruma teoria que permitisse umadescrição unificada dos fenôme-nos gravitacionais e eletromagné-ticos e uma profunda dedicaçãoa causas ligadas à paz e às liber-dades civis.

O MOVIMENTOBROWNIANOZIGUE-ZAGUE ERRÁTICO • Em 1827, o botânicoescocês Robert Brown (1773-1858) observou quegrãos de pólen na superfície da água, quandoobservados no microscópio, apresentavam um‘zigue-zague’ errático. O fenômeno passou a serconhecido como movimento browniano e, comEinstein, se tornou uma evidência experimentalimportante da existência de moléculas, assuntoainda controverso no início do século passado.

ATRAVÉS DE UM MICROSCÓPIO • O artigo ‘Mo-vimento de partículas em suspensão em um flui-do em repouso como conseqüência da teoriacinética molecular do calor’ – ou, simplesmente,‘Movimento Browniano’, como é mais conhecido –é um desdobramento da tese. Foi recebido parapublicação em 11 de maio. Nele, Einstein inferiuque essa movimentação desordenada era ocasio-nada pelos choques da partícula com as molécu-las do fluido, invisíveis ao microscópio e agitadasem razão de sua energia térmica, que é medidapela temperatura. Einstein previu qual seria odeslocamento médio da posição de cada partícu-la, ocasionado pelas colisões com as moléculasde água. Isso poderia ser medido com a ajuda deum microscópio.

REALIDADE DE ÁTOMOS E MOLÉCULAS • Pou-cos anos depois, com base nesse artigo, o físicofrancês Jean Perrin (1870-1942) obteria os resul-tados experimentais que dizimariam as dúvidassobre a realidade física dos átomos e das molé-culas. Em 1913, Perrin declarou “a teoria atômicatriunfou”. Einstein terminou um segundo artigosobre o movimento browniano no final de 1905.Ele foi recebido para publicação em 27 de dezem-bro e só publicado no ano seguinte, também naAnnalen der Physik.

A EFEMÉRIDEBERÇO, LIVRO E CHARUTO • Rua Kramgasse, 49, Berna, Suíça, 1905.No segundo andar, fica um apartamento modestamente decorado, re-flexo do baixo poder aquisitivo de seus moradores. Um varal com rou-pas úmidas corta a sala. O inquilino, um técnico de 3a classe do escri-tório de patentes da cidade, embala com uma mão o berço de seufilho e com a outra empunha um livro aberto. Na boca, um charu-to de péssima qualidade, cuja fumaça se junta à fuligem queverte do fogão.

ANO MIRACULOSO • Certamente, um ambiente pou-co propício à prática da ciência. Mas foi nele,há cem anos, que um jovem de 26 anos produziu –nas horas vagas e isolado da comunidade científi-ca – cinco artigos e uma tese de doutorado. Todos traba-lhos de altíssimo nível. Eles mudariam para sempre a face dafísica. Seu nome: Albert Einstein. Tamanho foi seu feito que 1905ficou conhecido como Ano Miraculoso (Annus Mirabilis).

EINSTEIN HOJELASER E ÁTOMO GIGANTE • Os cerca de 300

trabalhos científicos de Einstein ajudaram aaprofundar o conhecimento sobre a nature-za da radiação (luz, por exemplo) e da maté-ria. Alguns deles possibilitaram, por exem-plo, a obtenção da luz laser, em 1960, e pre-

viram um fenômeno no qual um aglomeradode átomos, a baixíssimas tempera-

turas, se comporta comouma entidade única, como um‘átomo gigante’. O chamadocondensado de Bose-Einstein foiobtido pela primeira vez em 1995.

BURACOS NEGROS E ONDAS GRAVI-TACIONAIS • Com base na teoria da re-latividade geral, Einstein inaugurou, com um artigode 1917, a cosmologia moderna. Quanto aos bura-cos negros – corpos cósmicos que sugam luz e ma-téria com voracidade –, ele desconfiou de sua exis-tência, apesar de terem sido previstos pela mesmateoria. Hoje, com o acúmulo de evidências expe-rimentais indiretas, acredita-se que esses ‘ralos cós-micos’ existam. A realidade das ondas gravitacionais,outra das previsões dessa teoria, é também tidacomo certa. Supõe-se que sejam produzidas, porexemplo, em colisões de buracos ne-gros, explosões de estrelas ou porcorpos que giram em altíssimavelocidade, como os pulsares.Experimentos já estão à caçade mais esse fenômeno previsto pelarelatividade geral.

DIMENSÕES EXTRAS • Einstein nunca concordoucom a maioria dos físicos que criaram a física quân-tica, pois estes viam as probabilidades e a incertezacomo características intrínsecas e irremovíveis domundo microscópico. Muitos consideram tambémque Einstein se equivocou ao dedicar as duas dé-cadas finais de sua vida à tentativa de unificar o

eletromagnetismo e a gravitação. Outros,porém, alegam que ele, mais uma vez àfrente de seu tempo, estava adiantando

um campo teórico que só ganharia no-toriedade e prestígio nestes úl-timos anos: a busca de uma teo-ria unificada. Hoje, as supercor-

das, teoria em que as partículas ele-mentares são tratadas como diminutas cor-

das vibrantes em vez de pontos sem dimensão,são a melhor candidata para unificar boa partedos fenômenos da natureza. No entanto, as super-cordas implicam dimensões espaciais extras e vá-rias novas partículas elementares, ambas aindasem comprovação experimental.

NO MUNDO NANO • Einstein tem também seudedo no que talvez seja a maior contribuição cien-tífica que a física e a química dos séculos 19 epassado deram ao mundo: a prova de que a ma-téria é composta por átomos e moléculas. Hoje,esse conhecimento é a base, por exemplo, para ananociência e a nanotecnologia, que englobam pro-

jetar, manipular, produzir e montar artefatoscom dimensões atômicas e moleculares atra-

vés da integração da física, química, biologia,engenharia e informática (ver, desta série,

‘Nanociência e Nanotecnologia – Modelando o fu-turo átomo por átomo’).

Mileva e os filhos, Eduard e Hans

Berna,Suíça

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