Do Éter ao Campo de Higgs

A palavra éter está associada a um conceito multimilenar complexo usado pelos antigos filósofos gregos, os quais, por sua vez, se inspiraram nas mais remotas concepções orientais de que há memória. Um dos maiores vultos da ciência moderna, Isaac Newton, ele próprio um conhecedor e estudioso dessas filosofias ancestrais, foi buscar a ideia base desse conceito e aplicou-o no campo da física, a fim de dar consistência teórica à sua teoria sobre a natureza corpuscular da luz.

Newton (1643-1727) estava convencido de que a luz era constituída por pequenos corpúsculos. Esse modelo explicava bem determinados comportamentos luminosos, como a propagação rectilínea da luz ou o fenómeno da reflexão, mas não explicava outros, como a refracção ou o facto de a luz conseguir contornar objectos opacos. Newton postulou então a existência de um meio de grande elasticidade, o éter, que seria constituído por partículas mais pequeninas que as do ar e que as da luz, e desenvolveu mecanismos de interacção para explicar como esse meio agia sobre as partículas da luz de forma a reproduzir todos os fenómenos luminosos então conhecidos. Apesar de, na mesma época, outros estudiosos como Christiaan Huygens (1629 1695) proporem diferentes explicações, a teoria corpuscular de Newton só viria a ser realmente destronada cerca de um século depois, facto a que não foi certamente alheio o crédito científico de que Newton gozava na Royal Society , graças ao trabalho que desenvolveu sobre as leis da dinâmica do movimento e a teoria da gravitação universal e que constituem, desde então, o fundamento da mecânica clássica.

De facto, no século XIX, dois outros cientistas, o físico e médico britânico Thomas Young (1773-1829) e o físico francês Augustin Fresnel (1788-1827), e as suas experiências demonstrativas da existência de padrões de interferência luminosa , conseguiram fazer triunfar o modelo ondulatório da luz segundo o qual os fenómenos luminosos eram explicados não pelo movimento de partículas mas antes pela propagação de perturbações do meio (ondas). Poderia pensar-se que, posto de lado o modelo corpuscular de Newton, a noção física de éter teria o mesmo fim. Contudo, a comparação com o fenómeno da propagação das ondas sonoras manteve a necessidade deste conceito. Vejamos porquê recorrendo a um exemplo simples.

Se colocarmos uma sineta a tocar dentro de uma campânula transparente fechada, conseguimos ouvir o som da sineta cá fora, pois ele propaga-se através do ar que está dentro da campânula, através do vidro e através do ar exterior, até chegar aos nossos ouvidos. Contudo, se fizermos vácuo na campânula, deixamos de ouvir o som da sineta. Tal acontece porque deixa de existir dentro da campânula um meio material para servir de suporte à onda sonora, ou seja, através do qual o fenómeno sonoro se possa propagar. Ora, se em vez de uma sineta colocarmos uma fonte luminosa dentro da mesma campânula, verifica-se que as ondas luminosas se propagam e iluminam o ambiente em seu redor, quer haja ou não ar na campânula. Por analogia com o facto do som precisar de um meio para se propagar, admitiu-se então que as ondas luminosas também precisariam de um suporte material . Foi esta a razão que levou os físicos da altura a não prescindir da noção de éter, tendo passado a designá-lo por éter luminífero. Este meio, transparente e permeando todo o espaço, não deveria ter massa ou seria extremamente rarefeito, uma vez que não parecia opor qualquer resistência ao movimento da Terra e dos outros planetas que permaneciam nas suas órbitas, imperturbáveis.

As equações de Maxwell
No tempo em que viveu o físico-matemático escocês James Maxwell (1831-1879), não estava ainda comprovada a constituição atómica da matéria nem a existência do electrão mas os fenómenos eléctricos e magnéticos, as suas semelhanças e diferenças e a sua influência mútua eram já bem conhecidos. Maxwell desenvolveu uma teoria matemática que deu origem a um conjunto de quatro equações (as conhecidas equações de Maxwell) que traduzem bem tanto os comportamentos eléctricos e magnéticos como a interacção entre eles, dando origem à teoria do electromagnetismo. De facto, das equações de Maxwell decorre que um campo eléctrico variável induz um campo magnético variável, o qual, por sua vez, origina um campo eléctrico variável e assim por diante, gerando-se uma onda electromagnética. E não só. As equações de Maxwell revelam ainda que essas ondas electromagnéticas se propagam à velocidade da luz (nessa altura já bem conhecida e determinada). Dito à moda do próprio Maxwell, as equações indicam que a luz é uma forma de energia radiante que se propaga através de ondas electromagnéticas.

Há ainda outro aspecto a destacar nas equações de Maxwell. Como sabemos, a velocidade é sempre definida relativamente a um referencial. Quando vamos de carro, aceleramos de mais e somos “apanhados” pelo radar, somos multados por irmos a determinada velocidade relativamente ao radar que está parado na berma. Nas equações de Maxwell não há indicação explícita do referencial relativamente ao qual a velocidade da luz é calculada. Como a noção de éter luminífero estava tão embrenhada no espírito científico da época, deduziu-se que a velocidade da luz era relativa à velocidade do éter luminífero, e esta, como não aparecia explicitamente nas equações, só podia ser nula. Ou seja, o éter tinha que estar em repouso absoluto; a velocidade da luz relativamente ao éter, medida em qualquer lugar, teria sempre o valor de cerca de 300 mil quilómetros por segundo.

O princípio do fim
Como é fácil de adivinhar, pois só assim um novo conceito ou teoria ganha estatuto em ciência, muitas foram as experiências realizadas ao longo de vários anos para tentar comprovar experimentalmente a existência do éter luminífero. Contudo, quer porque as condições experimentais não eram suficientemente rigorosas, quer talvez porque os efeitos esperados fossem demasiado pequenos, nenhuma das experiências bastou para que os resultados (fossem eles positivos ou negativos) pudessem ser aceites como conclusivos. Contudo, em Agosto de 1887, o físico alemão-americano Albert Michelson e o químico americano Edward Morley, depois de várias etapas de aperfeiçoamento experimental e teórico a que não foram alheias contribuições e críticas de outros cientistas como John William Strutt (Lord Rayleigh), William Thomson (Lord Kelvin) e Hendrik Lorentz, foi realizada uma experiência que ficou conhecida como “Experiência de Michelson-Morley”, cujo objectivo era detectar uma alteração na determinação da velocidade da luz provocada pelo movimento da Terra relativamente ao éter. Muito resumidamente, a experiência utilizava um conjunto de espelhos para fazer com que um feixe de luz se desdobrasse em duas direcções diferentes ao mesmo tempo. Se o éter luminífero existisse, o movimento da Terra relativamente ao éter deveria criar um vento de éter cuja velocidade faria com que os feixes de luz paralelos e perpendiculares a esse vento chegassem ao detector de ondas luminosas com velocidades diferentes. Para grande desapontamento de toda a comunidade científica da época, o resultado da experiência deu negativo! Ou seja, não foi encontrada qualquer variação da velocidade da luz, tendo em conta o movimento da Terra relativamente ao éter. Como não foi encontrado nenhum efeito, deduziu-se que o éter não existia.
Nos anos que se seguiram à experiência de 1887, muitos outros ensaios foram sendo realizados, cada vez mais rigorosos e testando novas metodologias. O resultado foi sempre negativo: nunca foi observado qualquer efeito que comprovasse a existência do éter luminífero. Muitos anos depois, em 1927, o próprio Michelson ainda exprime o seu desapontamento numa conferência onde aborda também a teoria da relatividade : “A existência de um éter surge como sendo inconsistente com a teoria. […] Mas, sem um meio, como pode ser explicada a propagação das ondas luminosas?” Como refere Abraham Pais no seu livro “Subtil é o Senhor”, sobre a vida e pensamento de Albert Einstein, “É esta a lamentação, não de um indivíduo, mas de uma época…”9.

Uma hipótese desnecessária
Para as equações de Maxwell, o resultado negativo da detecção do éter não tinha consequências, uma vez que nelas, como dissemos, não há referência explícita à existência de qualquer meio. Permanecia, porém, a questão estranha de a velocidade da luz ter sempre o mesmo valor, sem depender de um referencial. Este aspecto deixou sempre na comunidade científica a incomodidade de que algo poderia estar a falhar na procura da evidência experimental do éter.
É neste enquadramento que Einstein dá o golpe de misericórdia no éter físico tornando-o uma hipótese totalmente desnecessária no quadro da sua teoria da relatividade restrita, apresentada em 1905. Segundo Einstein, a velocidade da luz é sempre a mesma porque se trata de um invariante em Física, ou seja, o seu valor é o mesmo qualquer que seja o observador que o esteja a medir. Pelo contrário, o espaço e o tempo, separadamente considerados, passaram a ser relativos e só uma nova entidade física, o espaço-tempo, adquiriu o estatuto de absoluto.

Em 1908, perante rumores segundo os quais uma nova experiência estaria a revelar indícios da existência do éter luminífero e, portanto, do desacerto da teoria da relatividade restrita, Einstein, seguro da beleza e razão dos seus argumentos, comentou: “O Senhor é subtil mas não malicioso”. O futuro deu-lhe razão: a dita experiência estava errada e o éter luminífero acabou por desaparecer do vocabulário científico.

Preenchendo o “vácuo”
Está hoje plenamente demonstrado pela ciência que os corpos e objectos materiais não têm a consistência contínua e compacta que observamos à vista desarmada, apresentando, à escala microscópica, grande percentagem de espaços vazios onde se movimentam partículas subatómicas que interagem entre si e formam agregados de maior dimensão, como os átomos. Também à escala macroscópica, à medida que nos afastamos dos corpos celestes, a matéria existente vai-se tornando cada vez mais rarefeita, menos densa, até se atingirem, no espaço interestelar, pressões 1019 vezes inferiores à pressão atmosférica, não permitindo a existência de quaisquer agregados de matéria, por mais pequenos que sejam.

É corrente dizermos que nesses espaços micro e macro-cósmicos existe o vácuo, o que significa que ali a quantidade de partículas materiais é inferior à necessária para que a pressão seja da ordem da pressão atmosférica, podendo esse valor descer até às pressões do ultra-alto-vácuo interestelar que referimos acima .

A preocupação dos físicos em querer encontrar um meio que permeasse o vácuo, sustentando a transmissão das ondas luminosas através dele, acabou por ser ultrapassada pela conjugação da não-descoberta do éter luminífero com outras três descobertas: a natureza ondulante dos campos electromagnéticos que constituem a luz, a radiação cósmica de fundo e, finalmente, a incessante actividade do espaço-tempo onde, segundo a Física quântica e dentro de uma janela de tempo-energia imposta pela incerteza de Heisenberg , partículas elementares são permanentemente criadas e destruídas.

Uma reencarnação do éter físico?

As teorias cosmológicas actuais consideram que o Universo está a expandir-se e a arrefecer. Isto significa que em tempos muito remotos ele terá passado por estados muito mais comprimidos e por temperaturas inimaginavelmente elevadas. Sabemos por experiência que quando a matéria arrefece, podem acontecer mudanças de fase, como a passagem do estado gasoso ao líquido ou deste ao sólido.

Desde o início da década de 70 do século XX, físicos ligados à investigação em Cosmologia e em Física das partículas começaram a pensar que o Universo como um todo, na sua evolução desde o eventual Big Bang até hoje, em contínua expansão e arrefecimento, também pode ter sofrido transições de fase. Desenvolveram então a hipótese científica de, num determinado momento dessa evolução, uma transição de fase do Universo ter provocado a condensação de um campo de matéria que passou a ser designado por Campo de Higgs, em homenagem ao físico escocês Peter Higgs, um dos que muito investigou esta tese. A ideia de campo de matéria pode parecer estranha, à primeira vista, pois geralmente usamos o conceito de campo associado à acção de forças. Contudo, tal como a um fotão de luz associamos um campo electromagnético, ao comportamento dinâmico de um electrão ou de outra partícula com massa podemos igualmente associar um campo de matéria: o campo do electrão, o campo do protão, etc. É claro que este conceito inclui também a noção de probabilidade de localização que associamos a todas as partículas quânticas, pela sua natureza dual onda-corpúsculo.

O campo de Higgs é, contudo, um conceito muito mais rico e determinante pois a verificar se a sua existência isso significaria que: 1) o espaço universal estaria inundado por um meio que constituiria uma relíquia do Big Bang; e 2) todas as partículas materiais elementares descobertas até hoje e as propriedades físicas que apresentam (massa, carga, spin, etc) teriam tido nesse campo a sua causa e razão de ser.

Ao reflectirmos sobre este campo de Higgs, é impossível deixarmos de pensar o que Brian Greene (físico, astrónomo e cosmólogo) escreve no seu livro O Tecido do Cosmos: “Sim, de facto, um oceano de Higgs tresanda, de alguma forma, a éter.”! É verdade que, na medida em que se trata de um campo material que permearia todo o espaço universal e toda a matéria existente, ele se assemelha ao conceito de éter físico. Além disso, nada poderia remover o campo de Higgs do espaço universal. Tal só seria possível se voltássemos a aquecer o Universo, fazendo-o retroceder ao estado mais comprimido e quente, anterior à transição de fase ocorrida. Contudo, a razão de ser deste campo omnipresente nada tem a ver com a necessidade de um suporte material para a luz e, neste sentido, nada tem a ver com a noção estrita de éter luminífero.

À espera do LHC
Às 10:28 da manhã do passado dia 8 de Setembro de 2008 entrou em funcionamento o maior acelerador de partículas do mundo, o Large Hadron Collider (LHC) do CERN , com 27 km de comprimento, inaugurando uma nova era que se espera seja de importantes descobertas científicas, com destaque para o aprofundamento das origens e evolução do universo e, em particular, para a descoberta do bosão Higgs, a partícula constituinte do campo de Higgs. O objectivo do acelerador é o de provocar colisões entre protões e núcleos acelerados que se deslocam a velocidades dez vezes mais energéticas do que foi possível usar até ao momento e observar o que resulta dessas colisões.

Qualquer meio oferece resistência ao deslocamento de partículas através dele e, quando se provocam colisões muito energéticas entre objectos que se movimentam nesse meio, pode acontecer que, como subproduto, também se arranquem partes do meio. Por exemplo: um choque muito energético entre dois projécteis num oceano pode, como efeito colateral da colisão, arrancar moléculas de H2O à própria água. De forma semelhante, no LHC, vai provocar-se o choque entre partículas muitíssimo aceleradas em “ultra alto vácuo” (não pode existir ali outra matéria que não seja a do eventual campo de Higgs), e espera-se que, como efeito colateral dessas colisões, sejam removidas do campo de Higgs partículas de Higgs. É claro que, se não se confirmar a existência de partículas de Higgs (a esmagadora maioria dos físicos crê o contrário), haverá que repensar de forma radical todo um edifício teórico com mais de 30 anos – o actual modelo padrão da Física das partículas – e, por arrasto, muitos aspectos da teoria do Big Bang. Infelizmente, a 23 de Setembro passado, o LHC teve uma avaria complicada e o reinício das experiências está agora programado para 2009.

Continuamos, assim, à espera do LHC e das novas pistas científicas que ele nos revelará, sejam elas as que esperamos, de acordo com as hipóteses que teorizámos, sejam quaisquer outras que não ousámos ainda imaginar.

Liliana Ferreira
Licenciada em Física; Doutorada em Física da Radiação; Professora no Departamento de Física da Universidade de Coimbra; Investigadora na Faculdade de Ciências da Universidade de Lisb

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