Sou físico de formação, e uma das coisas que mais me fascinam na história da ciência é uma espécie de museu que ela guarda: teorias em que os melhores cientistas de uma época acreditaram, com toda a seriedade, e que depois se revelaram completamente erradas. O exemplo mais rápido é o calórico: por décadas, os físicos trataram o calor como uma substância, um fluido sutil e sem peso que passava de um corpo quente para um corpo frio, do mesmo jeito que a água desce um declive.
O que torna isso mais que uma curiosidade é que essas teorias antigas costumam coincidir com a nossa intuição de hoje. Aristóteles achava que a velocidade de um corpo é proporcional à força aplicada sobre ele, e que um corpo para de se mover assim que a força para de agir. Isso é exatamente o que a maioria das pessoas, sem estudar física, ainda acha verdade. Olhar para as teorias que a física abandonou é, por isso, um jeito rápido de entender as que valem hoje: cada uma delas morreu por um motivo específico, e esse motivo costuma ser precisamente o ponto em que a intuição comum ainda tropeça.
Neste texto, sete casos, da Grécia antiga ao século XX: o que cada teoria dizia, por que fazia sentido, o que a derrubou e o que ficou no lugar.
Sete teorias que a física levou a sério, e por que estar errado, às vezes, é preciso.
Aristóteles: o movimento que precisa de motor
Para Aristóteles (século IV a.C.), todo movimento exige uma força atuando sem parar. Solte a força, e o corpo para. Para explicar por que uma flecha continua voando depois de deixar o arco, ele propôs que o próprio ar deslocado atrás dela continuava empurrando-a. Os quatro elementos, além disso, tendiam a voltar a seu "lugar natural": a pedra cai porque seu lugar é o centro do mundo; o fogo sobe porque o seu é o céu.
É difícil exagerar como isso bate com a experiência cotidiana. Empurramos um carrinho de mão, ele desacelera e para; soltamos um objeto, ele cai. "Sem força, o movimento cessa" é a leitura mais direta e honesta do que os sentidos mostram, sem instrumentos e sem álgebra.
A primeira fissura veio só no século XIV, com o filósofo francês Jean Buridan, que propôs a teoria do ímpeto: quem lança um objeto lhe transmite algo interno, proporcional à massa e à velocidade, um precursor conceitual do que chamamos hoje de momento linear, que o mantém em movimento até ser gasto pela resistência do ar e pela gravidade. Já não era preciso um motor externo contínuo. Coube a Galileu, com seus planos inclinados, e depois a Newton, na primeira lei do movimento (Principia, 1687), formular o princípio da inércia: um corpo em movimento permanece em movimento uniforme se nenhuma força resultante agir sobre ele. A força não sustenta o movimento; só o muda.
O teste que prova que Aristóteles venceu, primeiro
Em 1985, os pesquisadores Ibrahim Halloun e David Hestenes publicaram "Common Sense Concepts About Motion", mostrando que estudantes universitários, antes de qualquer aula de mecânica, respondem a perguntas sobre movimento de um jeito sistematicamente aristotélico: acham que é preciso uma força constante para manter uma velocidade constante. Esse trabalho deu origem ao Force Concept Inventory (1992), hoje o teste mais usado no mundo para medir se alguém realmente aprendeu mecânica newtoniana, e não só decorou fórmulas.1
Ptolomeu: um sistema errado que funcionava
Por volta de 150 d.C., em Alexandria, o astrônomo Cláudio Ptolomeu descreveu, no Almagesto, um universo com a Terra fixa no centro e os planetas girando em círculos perfeitos. Para dar conta do movimento retrógrado que os planetas parecem fazer, vistos da Terra, ele usou epiciclos, pequenos círculos cujo centro percorre um círculo maior, e um dispositivo ainda mais sutil, o equante: um ponto geométrico deslocado do centro, a partir do qual o movimento parece uniforme, mesmo sem ser.
O sistema não caiu por um único experimento. Nicolau Copérnico propôs o heliocentrismo em 1543, mas, curiosamente, seu modelo ainda usava círculos e epiciclos, e não era muito mais preciso que o de Ptolomeu: o astrônomo e historiador Owen Gingerich, recalculando as posições planetárias pelos dois modelos, achou erros comparáveis nos dois, às vezes de dois graus ou mais.2 A virada de fato veio com Johannes Kepler, que, usando as observações precisas de Tycho Brahe, mostrou, entre 1609 e 1619, que órbitas elípticas com o Sol num dos focos descreviam os movimentos dos planetas de forma muito mais simples, sem epiciclo nenhum. Isaac Newton, com a gravitação universal (1687), deu a isso uma base física, o que tornou dispensável qualquer dispositivo geométrico artificial.
O caso de Ptolomeu é, para mim, o mais instrutivo dos sete: mostra que uma teoria pode prever bem e, ainda assim, estar errada sobre o que realmente existe. "Funciona" não é sinônimo de "é verdade", uma distinção que o senso comum de hoje, ansioso por explicações que "batem", ainda confunde.
O flogisto: o fogo que "liberava" uma substância
No final do século XVII, o alemão Georg Ernst Stahl, a partir de um esboço anterior de Johann Joachim Becher, deu nome ao flogisto, do grego "inflamável": uma substância invisível, quase sem peso, que a madeira, o carvão e os metais liberariam ao queimar ou ao serem calcinados. Um material "rico em flogisto" ardia bem; o ar servia só para absorver o flogisto liberado, e por isso o fogo se apagava num ambiente fechado, quando o ar ficava "saturado".
A teoria caiu por um detalhe que qualquer balança conseguia mostrar: metais calcinados ganham peso, o oposto do que se esperaria se estivessem perdendo uma substância. Antoine Lavoisier resolveu o quebra-cabeça entre 1774 e 1777: mostrou que o ganho de peso vinha da combinação do metal com um componente do próprio ar, o qual batizou de oxigênio. A combustão deixava de ser uma "liberação" e passava a ser uma reação química de combinação.
O calórico: o calor como um fluido
Formalizado por Lavoisier, em 1789, no mesmo período em que desmontava o flogisto, o calórico tratava o calor como um fluido elástico, sem peso apreciável, que permeava a matéria: corpos quentes tinham mais calórico; corpos frios, menos; e o calor "fluía" do quente para o frio. É uma teoria intuitiva ao extremo, porque descreve exatamente a sensação que temos: o calor "sai" do fogão e "entra" na mão.
O químico que pagou o laboratório com impostos e morreu por causa deles
Lavoisier nasceu em 1743 numa família rica de Paris. Em 1768, entrou para a Academia de Ciências e, na mesma época, comprou uma participação na Ferme Générale, a companhia privada que arrecadava impostos para a Coroa em troca de parte do que coletava. Era esse dinheiro que sustentava seu laboratório. Em 1771, casou-se com Marie-Anne Paulze, filha de um dos sócios da companhia, que traduzia textos ingleses, ajudava nos experimentos e desenhava as ilustrações. Em 1775, tornou-se um dos comissários da pólvora e passou a morar e trabalhar no Arsenal de Paris, até 1792.
Na Revolução, continuou servindo ao Estado: presidiu a comissão que recomendou o sistema métrico, em 1791. Mas a Ferme Générale era odiada como símbolo do Antigo Regime, e em 8 de agosto de 1793 a Convenção extinguiu as academias, que ele havia defendido. Em 24 de novembro, foi preso com outros ex-arrendatários, acusados de fraudes, entre elas adulterar o tabaco. O Tribunal Revolucionário o condenou e o guilhotinou em 8 de maio de 1794, aos 50 anos, no mesmo dia do julgamento.
Diz a tradição que, quando um médico apresentou aos juízes os serviços do químico à ciência, o presidente do tribunal respondeu: "A República não precisa de sábios; é preciso que a justiça siga seu curso". A frase é muito repetida, mas a Wikipédia a trata como lenda popular, e não a confirmei em fonte primária. Já a reação atribuída ao matemático Lagrange ficou famosa: "Bastou um instante para cortar essa cabeça, e talvez um século não baste para produzir outra igual" (tradução livre; as versões da frase variam).
Cerca de um ano e meio depois, Lavoisier foi inteiramente reabilitado, e seus bens foram devolvidos à viúva com um bilhete dizendo que ele havia sido condenado injustamente.
A primeira fissura foi um canhão. Em 1798, o físico e militar Benjamin Thompson, o Conde de Rumford, supervisionava a perfuração de canos de canhão num arsenal de Munique e notou que o atrito da broca gerava calor aparentemente sem fim, o bastante para fazer ferver a água ao redor do metal em poucas horas, sem que nada parecesse "se esgotar".
Faltava medir a conversão com precisão, o que James Prescott Joule fez ao longo da década de 1840, com um aparato de roda de pás girando dentro de água: mostrou, com números, que uma quantidade fixa de trabalho mecânico produz sempre a mesma quantidade de calor, o equivalente mecânico do calor. O calor deixava de ser substância e passava a ser energia associada ao movimento das moléculas, a base da termodinâmica que se ensina hoje.
A intuição do calórico, porém, nunca morreu de verdade na linguagem: ainda dizemos que "o frio entra" por uma fresta, ou que um casaco "esquenta", como se calor e frio fossem coisas que se deslocam ou se acumulam, em vez de energia que se transfere por diferença de temperatura.
O éter: a onda que precisava de um meio
No século XIX, ficou claro que a luz se comporta como uma onda: tem interferência, difração, polarização. Mas toda onda conhecida até então, o som no ar, as ondas na água, precisava de um meio material para se propagar. Por isso, físicos como Augustin Fresnel (1817) e, depois, James Clerk Maxwell, ao unificar eletricidade e magnetismo nos anos 1860 e 1870, postularam o éter luminífero: um meio elástico, sem massa detectável, preenchendo todo o espaço, inclusive o vácuo entre as estrelas.
Em 1887, Albert Michelson e Edward Morley montaram um interferômetro extremamente sensível, sobre um bloco de pedra flutuando em mercúrio para isolar vibrações, para detectar o "vento do éter" que o movimento da Terra deveria produzir. O resultado foi nulo: nenhuma diferença detectável na velocidade da luz em direções perpendiculares. Foi, por décadas, chamado de o experimento mais famoso da história da física com resultado negativo, porque contradizia a física estabelecida sem, à época, oferecer nada para pôr no lugar.
A resposta veio com Albert Einstein, em 1905: a relatividade especial trata a velocidade da luz como constante em qualquer referencial, sem precisar de meio nenhum. O éter, simplesmente, deixou de fazer falta.
Os raios que não existiam
Nem toda teoria superada durou séculos. Em 1903, o físico francês René-Prosper Blondlot, membro respeitado da Academia de Ciências, anunciou ter descoberto um novo tipo de radiação, os raios N (de Nancy, sua cidade), detectável por sutis variações de brilho em telas fosforescentes, julgadas a olho nu. Era a era de ouro da descoberta de radiações novas, os raios X datavam de 1895, a radioatividade de 1896, e mais de cem publicações francesas, em pouco mais de um ano, confirmaram os raios N.
O problema é que eles não existiam. Em setembro de 1904, o físico americano Robert Wood visitou o laboratório de Blondlot e, no escuro, removeu secretamente uma peça essencial do aparato, um prisma de alumínio, sem avisar ninguém. Blondlot e seu assistente continuaram relatando os efeitos normalmente, mesmo sem o prisma no lugar.3 Era só sugestão e viés de confirmação, o mesmo tipo de erro que, décadas depois, o físico Irving Langmuir batizaria de "ciência patológica", citando justamente este caso.
O universo que não teve começo
Em 1948, o astrofísico britânico Fred Hoyle, com Hermann Bondi e Thomas Gold, propôs o modelo do universo estacionário: o cosmos se expande, mas mantém densidade média constante porque matéria é continuamente criada, em taxa pequena demais para medir, preenchendo o espaço aberto pela expansão. O universo, nessa visão, não teve início nem terá fim.
A ideia evitava o desconforto filosófico de uma "origem" do universo, e era competitiva com o modelo rival, o do Big Bang.4 Mas, em 1964, Arno Penzias e Robert Wilson, dos Laboratórios Bell, detectaram por acaso um ruído de rádio isotrópico e inexplicável, depois de eliminar toda fonte de erro possível, inclusive um ninho de pombos na antena. Um grupo da Universidade de Princeton reconheceu de imediato: era a radiação cósmica de fundo, o eco previsto do universo primordial denso e quente, algo que o modelo estacionário não explicava. O universo, ao que tudo indica, teve um começo, há cerca de 13,8 bilhões de anos.5
Newton, Huygens e a luz que era as duas coisas
Nem todo caso é de derrota total. Newton defendia que a luz era feita de corpúsculos; Huygens, que era uma onda num meio. Os experimentos de interferência de Thomas Young, apresentados em 1801, e sua dupla fenda, descrita em 1803, pareceram resolver a disputa a favor da onda. Mas o efeito fotoelétrico, explicado por Einstein em 1905, e a mecânica quântica que veio depois, mostraram que a luz tem as duas naturezas ao mesmo tempo, a dualidade onda-partícula. Newton e Huygens estavam, cada um, parcialmente certos: suas teorias não foram descartadas, e sim absorvidas como partes de uma descrição maior.
O que aprender com quem estava errado
Nenhuma dessas teorias caiu por falta de inteligência de quem a defendia. Ptolomeu, Stahl, Blondlot e Hoyle eram, todos, cientistas competentes, trabalhando com os instrumentos e os conceitos disponíveis em seu tempo. O que as derrubou foi sempre algo específico: um canhão que não parava de esquentar, uma balança que mostrava peso a mais, um interferômetro que não via nada, um prisma removido em segredo, uma antena limpa de pombos e ainda ruidosa.
Por isso olhar para essas teorias, e não só para as que sobreviveram, ensina física mais rápido do que parece. A pesquisa em ensino de ciências chama isso de "mudança conceitual": aprender mecânica newtoniana, por exemplo, não é só acumular fórmulas novas, é confrontar e substituir a física aristotélica que a maioria de nós já traz por padrão.6 Cada teoria morta neste texto marca, com precisão, o ponto exato em que alguma intuição comum, a nossa, hoje, também tropeçaria.
O Force Concept Inventory (FCI), publicado por David Hestenes, Malcolm Wells e Gregg Swackhamer em 1992, é um teste de múltipla escolha que não pergunta fórmulas, e sim conceitos de força e movimento em linguagem simples, exatamente para expor concepções aristotélicas escondidas sob respostas tecnicamente corretas. Ele é hoje o instrumento mais usado no mundo para avaliar se um curso de física realmente muda a forma como os alunos pensam sobre movimento, e não só a nota que tiram na prova. Fonte: verbete "Force Concept Inventory" da Wikipédia. ↩
O historiador da astronomia Owen Gingerich recalculou posições planetárias usando os modelos de Ptolomeu e de Copérnico tal como eram usados no século XVI, e achou erros de magnitude parecida nos dois, chegando a mais de dois graus para Marte no modelo copernicano. A vantagem real de Copérnico não era a precisão, era a simplicidade conceitual, que preparou o caminho para Kepler. Fonte: verbete "Deferent and epicycle" da Wikipédia. ↩
Robert Wood publicou o relato da visita ao laboratório de Blondlot na revista Nature, em setembro de 1904, encerrando de forma abrupta e pública o episódio dos raios N. O caso é hoje citado como exemplo canônico de "ciência patológica", termo popularizado em 1953 pelo físico e químico Irving Langmuir, que citava justamente este episódio como modelo do fenômeno. Fonte: APS News, "1904: Robert Wood Debunks N-rays". ↩
Fred Hoyle cunhou o termo "Big Bang" numa transmissão de rádio da BBC, em 28 de março de 1949. A lenda popular diz que o termo era pejorativo, uma forma de ridicularizar o modelo rival. Historiadores da ciência contestam isso: Hoyle, numa entrevista de 1989, negou a intenção derrisória, e notaram que, se quisesse ridicularizar o modelo, ele teria repetido o termo com frequência durante a polêmica das décadas de 1950 e 1960, o que não fez. Fonte: "Big Bang: the etymology of a name", Astronomy & Geophysics (2013). ↩
A idade do universo já foi bem diferente. Em 1929, quando Edwin Hubble mostrou que as galáxias se afastam, a taxa de expansão que ele mediu, calculada com distâncias subestimadas, implicava um universo com cerca de 2 bilhões de anos, mais jovem que a Terra, já datada em vários bilhões: um paradoxo. Com as distâncias corrigidas (Allan Sandage obteve em 1958 um valor da constante de Hubble próximo do aceito desde então), as estimativas oscilaram por décadas entre cerca de 10 e 20 bilhões de anos. Os valores atuais vêm sobretudo da radiação cósmica de fundo: 13,772 ± 0,059 bilhões de anos com o satélite WMAP (2012), 13,813 ± 0,038 com o Planck (2015) e cerca de 13,8 no resultado final do Planck (2018), que obteve uma constante de Hubble de 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc. Estrelas antigas concordam: a chamada estrela Matusalém (HD 140283) tem idade estimada de 14,27 ± 0,80 bilhões de anos, compatível com o Planck dentro da incerteza. Resta, porém, uma discordância aberta, a "tensão de Hubble": medidas locais da expansão (projeto SH0ES) dão cerca de 73 km/s/Mpc, contra 67,4 do Planck, e como uma expansão mais rápida implica um universo mais jovem, os dois métodos ainda não concordam sobre o valor exato. Fontes: Wikipédia (inglês) e Planck 2018 results. VI. ↩
A teoria da "mudança conceitual" (conceptual change), formulada por George Posner, Kenneth Strike, Peter Hewson e William Gertzog em 1982, argumenta que aprender ciência exige, muitas vezes, confrontar e substituir uma concepção anterior, e não apenas somar informação nova a um vazio. Os autores se apoiam explicitamente na ideia de mudança de paradigma de Thomas Kuhn para explicar por que aprender mecânica newtoniana é difícil: não é uma lousa em branco, é uma física aristotélica intuitiva que precisa ser desmontada primeiro. Fonte: George Posner et al., "Accommodation of a Scientific Conception: Toward a Theory of Conceptual Change", Science Education 66, n. 2 (1982), p. 211-227. ↩
Uma seleção das obras que sustentam este texto e de boas portas de entrada para quem quiser ir além. As notas de rodapé citam fontes específicas de cada ponto. Conferi as referências em periódicos, arquivos e sites de sociedades científicas; se encontrar algum erro, me avise.
- Antoine Lavoisier, Traité Élémentaire de Chimie (1789). Sobre sua vida e a Revolução: Wikipédia (inglês) e La Suppression des Académies en 1793 (Wikisource).
- Benjamin Thompson (Conde de Rumford), "An Inquiry Concerning the Source of the Heat Which Is Excited by Friction", Philosophical Transactions of the Royal Society 88 (1798), p. 80-102.
- James Prescott Joule, "On the Mechanical Equivalent of Heat", Philosophical Transactions of the Royal Society 140 (1850).
- Jean Buridan, sobre a teoria do ímpeto: verbete da Wikipédia.
- Ibrahim Abou Halloun e David Hestenes, "Common Sense Concepts About Motion", American Journal of Physics 53, n. 11 (1985), no site do próprio Halloun.
- Owen Gingerich, sobre a precisão comparada de Ptolomeu e Copérnico: verbete "Deferent and epicycle" da Wikipédia.
- Thomas Kuhn, A estrutura das revoluções científicas (1962).
- Albert Michelson e Edward Morley, "On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether", American Journal of Science, 3ª série, n. 203 (novembro de 1887), p. 333-345.
- George Posner, Kenneth Strike, Peter Hewson e William Gertzog, "Accommodation of a Scientific Conception: Toward a Theory of Conceptual Change", Science Education 66, n. 2 (1982), p. 211-227.
- Arno Penzias e Robert Wilson, "A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s", Astrophysical Journal 142 (1965).
- Sobre os raios N: APS News, "1904: Robert Wood Debunks N-rays".
- Sobre a origem do termo "Big Bang": "Big Bang: the etymology of a name", Astronomy & Geophysics (2013).
Publicado originalmente em lucasghisleni.com.