Feliz Aniversário, Elétron

A teoria do elétron de Lorentz, de 1892, une a física clássica à moderna

por Frank Wilczek

Os elétrons governam nosso mundo, mas há pouco tempo eram apenas uma ideia. Junho passado marcou o 120º aniversário de uma profunda e influente criação, a teoria do elétron do físico holandês Hendrik Antoon Lorentz. Seu elétron não era apenas uma partícula elementar hipotética, mas o cerne de uma ambiciosa teoria da Natureza. Hoje os físicos estão acostumados à noção de que uma descrição completa da Natureza pode surgir de equações simples e belas, mas antes de Lorentz essa era uma visão mística.
Para a maioria dos físicos o auge memorável da física do século 19 é a teoria dos campos elétricos e magnéticos, completada pela síntese matemática de James Clerk Maxwell, em 1864. Então a neblina se instalou e, até o século 20, pontas da relatividade e da teoria quântica começam a surgir. Essa nebulosa história popular obscurece a ligação – em si uma conquista brilhante, construída com trabalho heroico.
Para explicar o contexto é importante admitir uma blasfêmia: a exposição que Maxwell fez de suas equações é uma bagunça. Você não encontrará, nos escritos dele, a estrutura limpa, compacta e elegante que os estudantes aprendem como “Equações de Maxwell”. Em vez disso, descobrirá uma torrente de símbolos e um amontoado de palavras e equações. Maxwell, um homem profundamente humilde, não percebeu que produzia poesia para o futuro, digna de ser gravada. Ele simplesmente decidiu resumir, matematicamente, tudo o que era conhecido sobre eletricidade e magnetismo. Em sua apresentação, equações fundamentais se misturam a fenomenologia improvisada.
A conquista de Lorentz foi purificar a mensagem das equações de Maxwell – separar o sinal do ruído. O sinal: quatro equações que governam a maneira como os campos elétricos e magnéticos respondem à carga elétrica e seu movimento, além de uma equação que especifica a força que esses campos exercem sobre a carga. O ruído? todo o resto.
Com as equações definidas para o comportamento de pequenos corpos com massa e carga específicas seria possível usá-las para reconstruir a descrição da matéria sobre uma nova fundação, começando a partir dos idealizados “átomos” da carga? Esse foi o fardo da teoria do elétron de Lorentz. Começando com seu artigo de 1892 ele e seus seguidores usaram a teoria do elétron para explicar uma propriedade da matéria atrás da outra – condução de eletricidade e calor, comportamento dielétrico, reflexão e refração da luz, etc. Assim eles estabeleceram os fundamentos das matérias que hoje chamamos de eletrônica e ciência dos materiais. E em 1897, Joseph John Thomson mostrou experimentalmente que os elétrons realmente existem. (Pode-se dizer que o elétron foi concebido em 1892 e que veio à luz em 1897.)
Muito do artigo de Lorentz de 1892 trata da ideia sedutora, mas não simples, de que a massa dos elétrons pode ser consequência de sua carga elétrica. Cargas em movimento geram tanto campos elétricos quanto magnéticos, que resistem a mudanças e reagem sobre o movimento do elétron. Será essa reação (back-reaction) responsável pela inércia do elétron – e, portanto, por sua massa? Essas ideias têm uma história antiga: Aristóteles queria descobrir a inércia da matéria pela reação do ar. A visão de Lorentz sobre a massa eletromagnética foi imensamente influente. Ela inspirou trabalhos técnicos pesados, notavelmente do próprio Lorentz e de Henri Poincaré, que anteciparam partes importantes da teoria especial da relatividade de Einstein.
A mecânica quântica mudou as regras do jogo e a ideia de que apenas a reação fosse responsável pela massa do elétron não parecia mais viável. Mas eu e meus colegas explicamos a massa dos prótons, nêutrons e de outras partículas de interação forte usando uma ideia parecida. A inércia dessas partículas surge a partir da reação dos campos de glúon do irmão mais velho do eletromagnetismo: a cromodinâmica quântica. Ainda que a partícula de Higgs receba o crédito por dar massa à matéria, sua contribuição para a massa da matéria comum na verdade é bem pequena. A bela ideia de Lorentz, em sua forma moderna, é responsável por sua maior parte.
A teoria do elétron de Lorentz, ainda que superada em detalhes, foi fundamental. Ao reconhecer as respostas corretas e fazer as perguntas adequadas ele preparou o caminho para a relatividade, a teoria quântica e a física atual. Perto do fim de sua própria vida, Albert Einstein escreveu um memorável tributo a Lorentz: “Para mim, pessoalmente, ele significou mais do que todos que conheci em minha jornada pela vida”.

Frank Wilczek professor de física do Massachusetts Institute of Technology,dividiu o Prêmio Nobel de Física em 2004 por seu trabalho no desenvolvimento da cromodinâmica quântica, a teoria da interação nuclear forte. Seu livro de 2008, The lightness of being (Basic Books), aponta para uma teoria unificada de todas as forças fundamentais.

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Publicado em 16/07/2012, em Ciência e tecnologia. Adicione o link aos favoritos. Deixe um comentário.

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