Os Primórdios da Relatividade: O Eletromagnetismo

O caminho histórico que nos leva à Teoria da Relatividade, proposta pelo físico alemão Albert Einstein (1879-1955) em 1905 e posteriormente generalizada por ele mesmo em 1915, começa (se é que é possível fixar um início exato para uma revolução ou descoberta) com a unificação da eletricidade e do magnetismo, cujo primeiro vislumbre se deu através dos experimentos do físico dinamarquês Hans Christian Orsted (1777-1851).

Antes dele, muitos já cogitavam a hipótese de que eletricidade e magnetismo possuíam algum tipo de relação. Afinal, ambos apresentam-se em dois aspectos opostos (no caso da eletricidade, temos as cargas positivas e negativas; no caso do magnetismo, temos os pólos norte e sul). Nos dois casos os opostos se atraem e os semelhantes se repelem. Ainda em ambos os casos, as forças de repulsão e atração diminuem com o quadrado da distância (dobre-se a distância entre duas cargas ou pólos e a força que sentiam será quatro vezes menor do que antes).

Em 1820, Orsted (em sala de aula) aproximou o ponteiro de uma bússola de um fio por onde passava uma corrente elétrica. Para surpresa geral, o ponteiro mudava sua posição, deixando de indicar o pólo norte. Caso a corrente fosse invertida, invertia-se também a posição do ponteiro. Ficava claro que a presença de uma corrente elétrica no fio perturbava as propriedades magnéticas das proximidades.

Esta idéia ganhou força com os experimentos de outros eminentes físicos da época. Ainda em 1820, o francês André-Marie Ampère (1775-1836) mostrou que dois fios paralelos que apresentassem correntes na mesma direção se atraíam. Se as correntes fossem em direção oposta, os fios se repeliam. Outro francês, François Aragos (1786-1853), demonstrou que se uma corrente passasse por um fio de cobre, este poderia atrair e manter filamentos de ferro, exatamente como um ímã. Por fim, o alemão Johann Schweigger (1779-1857) observou que a quantidade de deflexão da agulha variava em proporção à força da corrente no fio, em referência à experiência original de Orsted (inventando assim o galvanômetro – aparelho que mede a intensidade da corrente em um fio).

Estas descobertas provocaram uma avalanche de experimentos científicos. No ano seguinte, o físico inglês Michael Faraday (1791-1867) organizou um circuito elétrico que incluía dois fios e dois magnetos. Em um dos casos, o fio era fixo e o ímã era móvel. No outro, era o ímã que ficava fixo e o fio móvel. Quando a corrente passava através do fio, o fio móvel movia-se em torno do magneto fixo e o magneto móvel movia-se em torno do fio fixo. Dessa maneira, Faraday demonstrou pela primeira vez que as forças elétricas podiam produzir movimento.

Independente desta conclusão (que daria origem ao dínamo e aos motores elétricos), Faraday propôs a existência de linhas de força ao redor do fio: um campo magnético gerado pela corrente. Começou com esta experiência a concepção que hoje é um dos pontos centrais da física: a de que o Universo é permeado por campos, que são os condutores das forças.

Paralelamente a estas descobertas físicas, o matemático alemão Carl Gauss (1777-1855) desenvolveu seu teorema da divergência (também conhecido por teorema de Gauss), que relaciona o fluxo através de uma superfície fechada com a quantidade contida no volume definido por esta superfície. Uma vez que se percebeu que a eletricidade e o magnetismo podiam ser representados por campos, o teorema de Gauss simplificava bastante a compreensão de certos resultados.

Dispondo do cálculo integral e diferencial, o matemático britânico James Clerk Maxwell (1831-1879) conseguiu, em 1855, traduzir o conceito de Faraday para a forma matemática e demonstrar que a visão intuitiva do físico inglês sobre as linhas de força estava correta. Maxwell teve a habilidade necessária para compilar os trabalhos da época e interligá-los em um conjunto de quatro equações que são conhecidas como as equações de Maxwell.

Estas equações nos mostram que uma variação do campo elétrico gera um campo magnético e vice-versa. Assim, ao se propagar no vácuo (ou em qualquer outro meio), uma onda elétrica gera uma onda magnética. Temos, na verdade, um conjunto indissolúvel conhecido como onda eletromagnética. Estavam unificados os campos elétrico e magnético, dando origem ao ramo da física conhecido por eletromagnetismo.

Não por acaso, a velocidade calculada para a onda eletromagnética coincidia com o valor conhecido na época (bastante correto) para a velocidade da luz. Sabia-se também, através dos resultados experimentais obtidos em 1801 pelo físico inglês Thomas Young (1773-1829) envolvendo os fenômenos de difração e interferência, que a luz era uma onda. Ela, que já havia sido “o mais imaterial dos corpos” segundo os neoplatônicos, e também um fluxo contínuo de corpúsculos como primeiramente pensado por Isaac Newton (1642-1727), mostrava-se agora como uma onda eletromagnética. Este novo status permitia uma manipulação numérica mais precisa e conseqüente melhora nos resultados experimentais e nas previsões teóricas.

Mas, se a luz é uma onda – e uma onda nada mais é do que uma perturbação em um certo meio – o que a onda luz ondula, afinal?

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Alexandre Cherman
Astrônomo da Fundação Planetário da Cidade do Rio de Janeiro Experiência na área de Astronomia, Física e Matemática, com ênfase em Astronomia Fundamental, Cronologia e Cosmologia, atuando principalmente nos seguintes temas: divulgação científica, cosmologia, educação, história da ciência, história da física e visualização científica. Possui seis livros publicados. http://lattes.cnpq.br/3947740530141462