O Prêmio Nobel de Física em 2016 foi dividido, com uma metade indo para David J. Thouless, na Universidade de Washington, e a outra para F. Duncan M. Haldane, na Universidade de Princeton, e J. Michael Kosterlitz , da Universidade Brown. O prêmio foi agraciado pela pesquisa dos teóricos sobre física da matéria condensada, particularmente por seu trabalho em transições de fase topológicas e fases topológicas da matéria, fenômenos por trás de estados exóticos de matéria, como supercondutores, superfluidos e filmes finos magnéticos. O trabalho permitiu novos insights sobre o comportamento da matéria em temperaturas baixas, e gerou base para a criação de novos materiais chamados isolantes topológicos, que poderiam permitir a construção de computadores quânticos mais sofisticados.
A topologia é um ramo da matemática que estuda propriedades que só mudam de forma incremental, em passos inteiros, ao invés de continuamente. Thors Hans Hansson, um físico da Universidade Estocolmo que serviu no Comitê do Nobel neste ano, explicou o conceito essencial de topologia durante o anúncio dos prêmios, tirando de um pacote um pedaço de bolo de canela, um bagel e um pretzel sueco. “Eu trouxe meu almoço,” ele brincou, e depois explicou que, para um topologista, a única diferença entre os três tipos de alimento era o número de buracos neles, e não o seu gosto. Um pedaço de bolo de canela não possui buracos, enquanto o bagel tem um e o pretzel tem dois. Para um topologista, então, o bolo seria da mesma categoria que um pires, o bagel seria pareado com um copo, e um pretzel com um par de óculos. Os insights premiados de Thouless, Kosterlitz e Haldane giram em torno da ideia de que esses mesmos tipos de “invariantes topológicos” também poderiam explicar mudança de fases da matéria, mas não das familiares, como líquido congelando e passando para o estado sólido ou sublimando e passando para o estado gasoso. Ao invés disso, as mudanças de fase estudadas pelos teóricos ocorrem principalmente em filmes bidimensionais resfriados a temperaturas criogênicas.
O primeiro insight veio nos início dos anos 70, quando Thouless e Kosterlitz trabalhavam juntos para derrubar o consenso de que transições de fase como a supercondutividade (fluxo de corrente sem resistência) e superfluidez (um fluido que possui zero atrito) simplesmente não poderiam acontecer em sistemas bidimensionais devido às flutuações termais, mesmo no zero absoluto. Eles descobriram que sistemas bidimensionais gelados podiam, de fato, ser submetidos a transições de fase através de um fenômeno totalmente imprevisto, a formação de pares de vórtices em temperaturas bem baixas que, de repente, se afastam à medida que a temperatura aumenta além de um certo limite térmico. Essa “Transição KT” (de “Kosterlitz-Thouless”) é universal, e tem sido utilizada para estudar supercondutividade em finos filmes, e também para explicar porque a supercondutividade se dissipa em temperaturas mais altas.
Depois, nos anos 80, Thouless e Haldane estudaram separadamente como a condução da eletricidade em sistemas quânticos obedecia regras topológicas. O trabalho de Thouless examinou o efeito Hall quântico, um fenômeno previamente conhecido em que fortes campos magnéticos e temperaturas baixas em camadas finas de semicondutores fazem a condutância elétrica mudar apenas em passos inteiros precisos, ao invés de continuamente. O fenômeno seguia inexplicável até que Thouless supôs que os elétrons nesses sistemas estavam formando o que é conhecido como um fluido quântico topológico, agindo coletivamente para fluir em passos inteiros. Independentemente, Haldane mostrou que fluidos quânticos podem ser formados em camadas de semicondutores mesmo na ausência de campos magnéticos fortes, continuando suas previsões anteriores de comportamento topológico semelhante em correntes unidimensionais de átomos magnetizados.
Juntos, os insights dos trabalhos de Thouless e Haldane se provaram cruciais no desenvolvimento e entendimento de isolantes topológicos, novas substâncias que bloqueiam o fluxo de elétrons no seu interior ao mesmo tempo que conduzem eletricidade através de suas superfícies. Essa propriedade única poderia tornar os isolantes úteis para esmiuçar novos tipos de partículas fundamentais, e para formar o circuito de computadores quânticos. Cientistas já estão discutindo e, em alguns casos, produzindo outros materiais ainda mais exóticos, supercondutores e metais topológicos que possuem enorme potencial para novas aplicações em computação e eletrônicos.
Esse trabalho “nos diz que mecânica quântica pode se comportar de uma maneira muito mais estranha do que poderíamos adivinhar, e nós realmente ainda não entendemos todas as possibilidades,” disse Haldane em um entrevista por telefone. “Nós temos um longo caminho para descobrir o que é possível, e muitas dessas coisas são coisas que ninguém teria sonhado serem possíveis.”
Why the Universe is filled with matter, rather than antimatter, is one of physics’ greatest mysteries. An experiment in Japan has now glimpsed a possible explanation: subatomic particles called neutrinos might behave differently in their matter and antimatter forms.
The disparity, announced at the International Conference on High Energy Physics (ICHEP) in Chicago, Illinois, on 6 August, may turn out not to be real: more data will need to be gathered to be sure. “You would probably bet that this difference exists in neutrinos, but it would be premature to state that we can see it,” says André de Gouvêa, a theoretical physicist at Northwestern University in Evanston, Illinois.
Even so, the announcement is likely to increase excitement over studies of neutrinos, the abundant but elusive particles that seem increasingly key to solving all kinds of puzzles in physics.
In the 1990s, neutrinos were found to defy the predictions of physics' standard model — a successful, but incomplete, description of nature — by virtue of possessing mass, rather than being entirely massless. Since then, neutrino experiments have sprouted up around the world, and researchers are realizing that they should look to these particles for new explanations in physics, says Keith Matera, a physicist on a US-based neutrino experiment called NOvA at the Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois. “They are the crack in the standard model,” he says.
AN ODD ABUNDANCE
The excess of matter over antimatter in our Universe is extraordinary, because if the mirror-image particles were produced in equal quantities after the Big Bang, they would have annihilated each other on contact, leaving nothing but radiation. Physicists have observed differences in the behaviour of some matter particles and antimatter particles, such as kaons and B mesons — but not enough to explain the dominance of matter in the Universe.
One answer might be that super-heavy particles decayed in the early Universe in an asymmetric fashion and produced more matter than antimatter. Some physicists think that a heavyweight relative of the neutrino could be the culprit. Under this theory, if neutrinos and antineutrinos behave differently today, then a similar imbalance in their ancient counterparts could explain the overabundance of matter.
To test this, researchers on the Tokai to Kamioka (T2K) experiment in Japan looked for differences in the way that matter and antimatter neutrinos oscillate between three types, or ‘flavours’, as they travel (see 'Changing flavours'). They shot beams of neutrinos of one flavour — muon neutrinos — from the Japan Proton Accelerator Research Complex in the seaside village of Tokaimura to the Super-Kamiokande detector, an underground steel tank more than 295 kilometres away and filled with 50,000 tons of water. The team counted how many electron neutrinos appeared — a sign that the muon neutrinos had morphed into a different flavour along the journey. They then repeated the experiment with a beam of muon antineutrinos.
The two beams behaved slightly differently, said Konosuke Iwamoto, a physicist at the University of Rochester, New York, during his presentation at ICHEP.
WEIRD OSCILLATIONS
The team expected that if there were no difference between matter and antimatter, their detector would have, after almost 6 years of experiments, seen 24 electron neutrinos and — because antimatter is harder to produce and detect — 7 electron antineutrinos.
Instead, they saw 32 neutrinos and 4 antineutrinos arrive in their detector. “Without getting into complicated mathematics, this suggests that matter and antimatter do not oscillate in the same way,” says Chang Kee Jung, a physicist at Stony Brook University in New York and a member of the T2K experiment.
Preliminary findings from the T2K and NOvA experiments had hinted at the same idea. But the observations so far could be a chance fluctuation; there is a 1 in 20 chance (or in statistical terms, about 2 sigma) of seeing these results if neutrinos and antineutrinos behave identically, points out Jung.
It will take much more data to confirm the signal. By the end of its current run in 2021, the T2K experiment should have five times more data than it has today. But the team will need 13 times more data to push statistical confidence in the finding to 3 sigma, a statistical threshold beyond which most physicists would accept the data as reasonable — but not completely convincing — evidence of the asymmetry.
TWO ARE BETTER THAN ONE
The T2K team has proposed extending its experiment to 2025 in order to gather the necessary data. But it is trying to speed up data-gathering by combining results with those from NOvA, which sends a neutrino beam 810 kilometres from Fermilab to a mine in northern Minnesota. NOvA has been shooting neutrino beams; it will switch to antineutrino beams in 2017. The two groups have agreed to produce a joint analysis and could together reach 3 sigma by around 2020, says Jung.
Reaching the statistical certainty needed to announce a formal discovery — 5 sigma — could require a new generation of neutrino experiments already being planned around the world.
Researchers from the NOvA experiment presented another exciting but preliminary finding at the ICHEP, also deduced from the study of the rate at which muon neutrinos switch to electron neutrinos: a hint at a resolution for which of neutrinos’ three different mass states is the heaviest.They found their results slightly favour a normal mass order, rather than an inverted one. Knowing which it is would help scientists to decide between rival theories about how the four forces of nature unite as a single force at high energies, such as during the Big Bang.
Physicists are racking up discoveries about neutrinos on an almost annual basis, says de Gouvêa: “For the timescales of particle physics, this is changing really, really quickly.”
This article is reproduced with permission and was first published on August 12, 2016.
Long ago, deep in space, two massive black holes—the ultrastrong gravitational fields left behind by gigantic stars that collapsed to infinitesimal points—slowly drew together. The stellar ghosts spiraled ever closer, until, about 1.3 billion years ago, they whirled about each other at half the speed of light and finally merged. The collision sent a shudder through the universe: ripples in the fabric of space and time called gravitational waves. Five months ago, they washed past Earth. And, for the first time, physicists detected the waves, fulfilling a 4-decade quest and opening new eyes on the heavens.
The discovery marks a triumph for the 1000 physicists with the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), a pair of gigantic instruments in Hanford, Washington, and Livingston, Louisiana. Rumors of the detection had circulated for months. Today, at a press conference in Washington, D.C., the LIGO team made it official. “We did it!” says David Reitze, a physicist and LIGO executive director at the California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena. “All the rumors swirling around out there got most of it right.”
Albert Einstein predicted the existence of gravitational waves 100 years ago, but directly detecting them required mind-boggling technological prowess and a history of hunting. (See a timeline below of the history of the search for gravitational waves.) LIGO researchers sensed a wave that stretched space by one part in 1021, making the entire Earth expand and contract by 1/100,000 of a nanometer, about the width of an atomic nucleus. The observation tests Einstein’s theory of gravity, the general theory of relativity, with unprecedented rigor and provides proof positive that black holes exist. “It will win a Nobel Prize,” says Marc Kamionkowski, a theorist at Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland.
LIGO watches for a minuscule stretching of space with what amounts to ultraprecise rulers: two L-shaped contraptions called interferometers with arms 4 kilometers long. Mirrors at the ends of each arm form a long “resonant cavity,” in which laser light of a precise wavelength bounces back and forth, resonating just as sound of a specific pitch rings in an organ pipe. Where the arms meet, the two beams can overlap. If they have traveled different distances along the arms, their waves will wind up out of step and interfere with each other. That will cause some of the light to warble out through an exit called a dark port in synchrony with undulations of the wave.
From the interference, researchers can compare the relative lengths of the two arms to within 1/10,000 the width of a proton—enough sensitivity to see a passing gravitational wave as it stretches the arms by different amounts. To spot such tiny displacements, however, scientists must damp out vibrations such as the rumble of seismic waves, the thrum of traffic, and the crashing of waves on distant coastlines.
V. Altounian/Science
On 14 September 2015, at 9:50:45 universal time—4:50 a.m. in Louisiana and 2:50 a.m. in Washington—LIGO’s automated systems detected just such a signal. The oscillation emerged at a frequency of 35 cycles per second, or Hertz, and sped up to 250 Hz before disappearing 0.25 seconds later. The increasing frequency, or chirp, jibes with two massive bodies spiraling into each other. The 0.007-second delay between the signals in Louisiana and Washington is the right timing for a light-speed wave zipping across both detectors.
The signal exceeds the “five-sigma” standard of statistical significance that physicists use to claim a discovery, LIGO researchers report in a paper scheduled to be published in Physical Review Letters to coincide with the press conference. It’s so strong it can be seen in the raw data, says Gabriela González, a physicist at Louisiana State University, Baton Rouge, and spokesperson for the LIGO scientific collaboration. “If you filter the data, the signal is obvious to the eye,” she says.
Comparison with computer simulations reveals that the wave came from two objects 29 and 36 times as massive as the sun spiraling to within 210 kilometers of each other before merging. Only a black hole—which is made of pure gravitational energy and gets its mass through Einstein’s famous equation E=mc2—can pack so much mass into so little space, says Bruce Allen, a LIGO member at the Max Planck Institute for Gravitational Physics in Hanover, Germany. The observation provides the first evidence for black holes that does not depend on watching hot gas or stars swirl around them at far greater distances. “Before, you could argue in principle whether or not black holes exist,” Allen says. “Now you can’t.”
The collision produced an astounding, invisible explosion. Modeling shows that the final black hole totals 62 solar masses—3 solar masses less than the sum of the initial black holes. The missing mass vanished in gravitational radiation—a conversion of mass to energy that makes an atomic bomb look like a spark. “For a tenth of a second [the collision] shines brighter than all of the stars in all the galaxies,” Allen says. “But only in gravitational waves.”
The LIGO facility in Livingston, Louisiana, has a twin in Hanford, Washington.
Other stellar explosions called gamma-ray bursts can also briefly outshine the stars, but the explosive black-hole merger sets a mind-bending record, says Kip Thorne, a gravitational theorist at Caltech who played a leading role in LIGO’s development. “It is by far the most powerful explosion humans have ever detected except for the big bang,” he says.
For 5 months, LIGO physicists struggled to keep a lid on their pupating discovery. Ordinarily, most team members would not have known whether the signal was real. LIGO regularly salts its data readings with secret false signals called “blind injections” to test the equipment and keep researchers on their toes. But on 14 September 2015, that blind injection system was not running. Physicists had only recently completed a 5-year, $205 million upgrade of the machines, and several systems—including the injection system—were still offline as the team wound up a preliminary “engineering run.” As a result, the whole collaboration knew that the observation was likely real. “I was convinced that day,” González says.
Still, LIGO physicists had to rule out every alternative, including the possibility that the reading was a malicious hoax. “We spent about a month looking at the ways that somebody could spoof a signal,” Reitze says, before deciding it was impossible. For González, making the checks “was a heavy responsibility,” she says. “This was the first detection of gravitational waves, so there was no room for a mistake.”
Proving that gravitational waves exist may not be LIGO’s most important legacy, as there has been compelling indirect evidence for them. In 1974, U.S. astronomers Russell Hulse and Joseph Taylor discovered a pair of radio-emitting neutron stars called pulsars orbiting each other. By timing the pulsars, Taylor and colleague Joel Weisberg demonstrated that they are very slowly spiraling toward each other—as they should if they’re radiating gravitational waves.
It is by far the most powerful explosion humans have ever detected except for the big bang.
It is the prospect of the science that might be done with gravitational waves that really excites physicists. For example, says Kamionkowski, the theorist at Johns Hopkins, the first LIGO result shows the power of such radiation to reveal unseen astrophysical objects like the two ill-fated black holes. “This opens a new window on this vast population of stellar remnants that we know are out there but of which we have seen only a tiny fraction,” he says.
The observation also paves the way for testing general relativity as never before, Kamionkowski says. Until now, physicists have studied gravity only in conditions where the force is relatively weak. By studying gravitational waves, they can now explore extreme conditions in which the energy in an object’s gravitational field accounts for most or all of its mass—the realm of strong gravity so far explored by theorists alone.
Rainer Weiss at the New York Science Fair.
Matt Weber
With the black hole merger, general relativity has passed the first such test, says Rainer Weiss, a physicist at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, who came up with the original idea for LIGO. “The things you calculate from Einstein’s theory look exactly like the signal,” he says. “To me, that’s a miracle.”
The detection of gravitational waves marks the culmination of a decades-long quest that began in 1972, when Weiss wrote a paper outlining the basic design of LIGO. In 1979, the National Science Foundation funded research and development work at both MIT and Caltech, and LIGO construction began in 1994. The $272 million instruments started taking data in 2001, although it was not until the upgrade that physicists expected a signal.
If LIGO’s discovery merits a Nobel Prize, who should receive it? Scientists say Weiss is a shoo-in, but he demurs. “I don’t like to think of it,” he says. “If it wins a Nobel Prize, it shouldn’t be for the detection of gravitational waves. Hulse and Taylor did that.” Many researchers say other worthy recipients would include Ronald Drever, the first director of the project at Caltech who made key contributions to LIGO’s design, and Thorne, the Caltech theorist who championed the project. Thorne also objects. “The people who really deserve the credit are the experimenters who pulled this off, starting with Rai and Ron,” he says.
Meanwhile, other detections may come quickly. LIGO researchers are still analyzing data from their first observing run with their upgraded detectors, which ended 12 January, and they plan to start taking data again in July. A team in Italy hopes to turn on its rebuilt VIRGO detector—an interferometer with 3-kilometer arms—later this year. Physicists eagerly await the next wave.
From prediction to reality: a history of the search for gravitational waves
1915 - Albert Einstein publishes general theory of relativity, explains gravity as the warping of spacetime by mass or energy
1916 - Einstein predicts massive objects whirling in certain ways will cause spacetime ripples—gravitational waves
1936 - Einstein has second thoughts and argues in a manuscript that the waves don't exist—until reviewer points out a mistake
1962 - Russian physicists M. E. Gertsenshtein and V. I. Pustovoit publish paper sketch optical method for detecting gravitational
waves—to no notice
1969 - Physicist Joseph Weber claims gravitational wave detection using massive aluminum cylinders—replication efforts fail
1972 - Rainer Weiss of the Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge independently proposes optical method for detecting waves
1974 - Astronomers discover pulsar orbiting a neutron star that appears to be slowing down due to gravitational radiation—work that later earns them a Nobel Prize
1979 - National Science Foundation (NSF) funds California Institute of Technology in Pasadena and MIT to develop design for LIGO
1990 - NSF agrees to fund $250 million LIGO experiment
1992 - Sites in Washington and Louisiana selected for LIGO facilities; construction starts 2 years later
1995 - Construction starts on GEO600 gravitational wave detector in Germany, which partners with LIGO and starts taking data in 2002
1996 - Construction starts on VIRGO gravitational wave detector in Italy, which starts taking data in 2007
2002–2010 - Runs of initial LIGO—no detection of gravitational waves
2007 - LIGO and VIRGO teams agree to share data, forming a single global network of gravitational wave detectors
2010–2015 - $205 million upgrade of LIGO detectors
2015 - Advanced LIGO begins initial detection runs in September
2016 - On 11 February, NSF and LIGO team announce successful detection of gravitational waves
Galáxias gigantes como a Via Láctea e Andrômeda consistem principalmente da exótica matéria escura. Mas até o substrato comum da primeira ainda é um enigma, já que sua maior parte está desaparecida e continua sem ser descoberta por cientistas. Agora, porém, astrônomos fizeram uma estimativa da quantidade de gás que cerca o brilhante disco da Via Láctea ao observarem uma galáxia atravessando sua periferia, e constataram que esse material supera todo o gás e poeira interestelar de sua região.
Medições da radiação cósmica de fundodeixada pelo Big Bang indicam que um sexto de toda a matéria no Universo é comum, ou bariônica, contendo prótons e nêutrons (ou “bárions” no jargão dos físicos), assim como ocorre com estrelas, planetas e humanos. Com base no movimento de objetos distantes que orbitam a Via Láctea, astrônomos estimam que nossa galáxia seria aproximadamente um trilhão de vezes mais massiva que o Sol. Se cinco sextos desse material são matéria escura, então essa substância exótica compõe 830 bilhões de massas solares de nossa galáxia; a matéria bariônica deve explicar os 170 bilhões restantes.
O problema é que todas as estrelas e a matéria interestelar conhecidas de nossa galáxia somam apenas cerca de 60 bilhões de massas solares: 50 bilhões em estrelas e 10 bilhões em gás e poeira interestelar. (A Via Láctea tem mais de 100 bilhões de estrelas, mas a maioria delas é menor que o Sol.) Isso deixa colossais 110 bilhões de massas solares de material comum inexplicáveis, desaparecidos. Se a Via Láctea for ainda mais massiva do que se calcula atualmente, esse problema bariônico se agrava. E outras galáxias gigantes apresentam o mesmo mistério.
Onde estão os bárions que faltam? Talvez em um difuso halo gasoso ao redor da Via Láctea. Satélites de raios-X detectaram átomos de oxigênio em nossa galáxia que perderam a maior parte de seus oito elétrons, um sinal de que eles habitam um gás de milhões de graus de temperatura; muito mais quente que a superfície do Sol. Mas como não sabemos a que distância esses átomos de oxigênio “fritos” estão de nós, não podemos avaliar com precisão o tamanho desse componente galáctico. Se estiverem relativamente perto do disco, então esse chamado meio circungaláctico não é vasto, extensivo, e, portanto, não tem grande importância. Mas se estiverem muito distantes, espalhados por um halo gigantesco, esse material gasoso poderia superar todas as estrelas da galáxia, fornecendo combustível para a formação estelar por bilhões de anos vindouros. Felizmente, para astrônomos, a Via Láctea é tão imensa que governa um séquito de galáxias menores que giram em torno dela, assim como luas orbitam um planeta. A mais esplêndida galáxia satélite é a Grande Nuvem de Magalhães, que brilha a 160 mil anos-luz da Terra. Como todos os outros satélites galácticos, ela se move ao redor da Via Láctea, mas ao contrário da maioria de seus iguais, está repleta de gás, que é ejetado à medida que ele mesmo se choca violentamente com o gás do halo. A quantidade de gás perdido depende da velocidade com que nosso vizinho se move e da densidade do gás do halo. E com essa densidade pode-se calcular a estimativa correspondente de massa.
Recentemente, o Telescópio Espacial Hubble mediu a velocidade da galáxia. Isso permitiu que os astrônomos Munier Salem, da Universidade Columbia, Gurtina Besla da Universidade do Arizona, e seus colegas estudassem o gás ejetado, ou perdido, e estimassem que a densidade de gás no halo da Via Láctea, perto da Grande Nuvem de Magalhães, é de 0,0001 átomo por centímetro cúbico. Isso não é muito — somente cerca de 10 mil vezes mais tênue que o gás interestelar no disco da Via Láctea — mas o halo cobre uma área muito grande. Em pesquisas apresentadas para publicação no periódico The Astrophysical Journal, astrônomos presumem que a densidade do gás diminui à medida que se distancia do centro da Via Láctea, e calculam que ele equivale a 26 bilhões de massas solares, ou quase a metade da quantidade contida em todas as estrelas da Via Láctea. Matthew Miller, estudante de graduação na Universidade de Michigan, que está concluindo sua dissertação sobre o meio circungaláctico, afirma que esse número corresponde a estimativas anteriores, mas está baseado em uma medição mais direta da densidade.
Ainda assim, a recém-calculada massa de gás do halo constitui apenas 15% do esperado conteúdo bariônico da Via Láctea. De acordo com Besla, a verdadeira quantidade de gás do halo provavelmente é maior, porque sua densidade pode diminuir menos com a distância do que previsto pelo modelo padrão. Miller suspeita que os bárions desaparecidos possam estar completamente ausentes da Via Láctea, sem jamais terem caído em nossa galáxia com a matéria escura; nesse caso, eles estariam à deriva no vasto espaço entre galáxias gigantes.
Besla prevê que futuros trabalhos poderão produzir uma medição mais precisa. Outra galáxia rica em gás, a Pequena Nuvem de Magalhães, a 200 mil anos-luz da Terra, orbita a Grande Nuvem de Magalhães. A dança das duas lançou gás em um imenso fluxo de mais de meio milhão de anos-luz de extensão. A maior parte desse chamado Fluxo de Magalhães se estende além da Grande Nuvem de Magalhães e, portanto, a densidade do gás do halo deveria ser sondada em outro lugar, restringindo ainda mais a massa do meio circungalácticio, pondera Besla.
De fato, astrônomos aqui na Terra têm sorte: eles habitam uma das poucas galáxias gigantes que têm a vantagem de ter duas galáxias satélite ricas em gás próximas. “É incrível quanta informação esse sistema nos fornece”, comemora Besla. Comparativamente, todos os satélites que orbitam uma galáxia gigante mais típica não têm mais gás, e quaisquer astrônomos ali podem olhar com silenciosa inveja para seus iguais na Via Láctea.
Publicado em Scientific American em 16 de setembro de 2015.
Parece literatura de ficção científica, mas pesquisadores estão estudando profundamente o conceito dos Buracos de Minhoca, uma espécie de túneis no espaço-tempo, que poderiam ser usados para viajar no tempo. Os cientistas estão a estudar formas de usar buracos de minhoca para viajar mais rápido do que a velocidade da luz e, quem sabe, até viajar no tempo de verdade.
"Um buraco de minhoca é um túnel no hiperespaço, também chamado de garganta, que liga duas regiões remotamente distantes dentro do nosso universo, ou até dentro de dois universos diferentes ou dois períodos distintos no tempo, como um tipo de viagem no tempo, ou dimensões diferentes do espaço", declarou o físico Eric Davis. O especialista é membro da Fundação Tau Zero, onde os pesquisadores estudam equações da teoria geral da relatividade de Einstein para pensar sobre possíveis projetos de buracos de minhoca e máquinas do tempo.
Os chamados Buracos de Minhocas foram propostos pela primeira vez em 1916, pelo matemático Ludwig Flamm, que estudava as equações da teoria da relatividade geral de Einstein. Esses túneis no espaço-tempo são uma possibilidade teórica, mas os cientistas tentam chegar a uma conclusão sobre a real existência dessas estruturas.
Os cientistas já sabem que o universo tem um material exótico, chamado de matéria escura, que é cinco vezes mais prevalente no espaço do que a matéria regular. Até hoje, os cientistas foram incapazes de detectar diretamente a matéria escura e a energia escura. Talvez, aprendendo mais sobre essas matérias, os pesquisadores possam entender melhor o efeito que elas têm sobre o espaço ao seu redor.
De acordo com Ali Övgün, da Eastern University do Chipre, é possível que os buracos de minhoca possam se formar onde a matéria escura está presente, existindo em algumas regiões exteriores da Via Láctea. Övgün está trabalhando para provar que os buracos de minhoca poderiam existir em regiões densas. Ele e seus colegas executam simulações que mostram que buracos de minhoca em regiões densas de matéria escura poderiam ser encontrados em halos galáticos.
Com base em certas teorias, o buraco de minhoca seria parecido com o espelho da Alice, no romance “Alice no país das Maravilhas”, de Lewis Carroll. A região do espaço na extremidade do túnel deve estar para fora da área em torno da entrada, graças a distorções que seriam semelhantes ao reflexo em espelhos curvos.
"Os astrônomos estão planejando usar telescópios para caçar esses buracos ou um sinal de uma ocorrência natural dos mesmos”, disse Eric Davis.
Por John Matson Como funciona um reator nuclear? A maioria dos reatores, entre eles os da estação Daiichi em Fukushima, são essencialmente chaleiras de alta tecnologia que fervem água para produzir eletricidade. Têm como base a fissão nuclear controlada – pela qual se divide um átomo em dois átomos menores, produzindo calor e fazendo com que nêutrons “voem”. Se outro átomo absorve um desses nêutrons, o átomo se torna instável e ele próprio entra em fissão, liberando mais calor e mais nêutrons. Essa reação em cadeia torna-se autossustentável, e produz um fornecimento continuo de calor para ferver água, impulsionando as turbinas assim gerando eletricidade.
Quanta eletricidade é produzida no Japão e em outros lugares pelas usinas? Com 54 reatores nucleares gerando 280 bilhões de kilowatts-hora, o Japão é o terceiro maior produtor mundial de energia nuclear, depois dos Estados Unidos e da França, conforme dados da Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA). A estação Daiichi de Fukushima, atingida pelo terremoto de 11 de março, abriga seis reatores, todos funcionando desde a década de 1970.
No mundo todo, a energia nuclear representa 15% da geração de eletricidade; o Japão obtém quase 30% de sua eletricidade de usinas nucleares. Os Estados Unidos produzem mais energia nuclear, porém, instalações nucleares respondem apenas por uma cota menor do portfólio americano de energia. Cerca de 20% da eletricidade dos Estados Unidos provém de usinas nucleares, a terceira maior fonte de eletricidade do país, atrás do carvão (45%) e do gás natural (23%).
Qual o combustível de um reator nuclear? A maioria dos reatores usa combustível de urânio “enriquecido” na forma de urânio 235, um isótopo que entra rapidamente em fissão. O urânio 238 é muito mais comum na natureza que o urânio 235, mas não entra em fissão facilmente; por isso, fabricantes do combustível reforçam o conteúdo do urânio 235 em alguns pontos percentuais, o suficiente para manter uma reação contínua de fissão e gerar eletricidade. O urânio enriquecido é fabricado em varetas que são cobertas com revestimento de metal feito de ligas de zircônio.
O reator No 3 na estação Daiichi em Fukushima funciona com o chamado combustível óxido misto (mixed oxide ou MOX em inglês), no qual o urânio é misturado com outros materiais físseis.
Como se “desliga” uma reação nuclear? Fissões nucleares sustentáveis têm como base a passagem de nêutrons de um átomo ao outro – nêutrons liberados na fissão de um átomo desencadeiam a fissão do próximo átomo. A maneira parar uma reação de fissão em cadeia é interceptar os nêutrons. Reatores nucleares utilizam varetas de controle feitas de elementos como cádmio, boro ou háfnio, que são eficientes absorvedores de nêutrons. Quando o reator tem problemas de funcionamento ou quando operadores precisam desligar o reator por qualquer outra razão, os técnicos podem, por acionamento à distância, mergulhar varetas de controle dentro do núcleo do reator para absorver os nêutrons e paralisar a reação nuclear.
É possível um reator entrar em fusão mesmo que a reação nuclear sendo interrompida? Mesmo depois das varetas de controle realizar sua função e sustar a reação de fissão, as varetas de combustível retêm uma grande quantidade de calor. Além disso, os átomos de urânio que já foram cindidos em dois dão origem a subprodutos que por si mesmos liberam uma grande quantidade de calor. Assim, o núcleo do reator continua a produzir calor mesmo na ausência do processo de fissão.
Se o resto do reator operar normalmente, as bombas continuarão fazendo circular o líquido refrigerador (normalmente água) para dissipar o calor no núcleo do reator. No Japão, o terremoto de 11 de março causou os apagões que cortaram a fonte externa de corrente alternada do sistema de refrigeração do reator. De acordo com matérias de jornais e relatórios publicados, os geradores de emergência a diesel da usina falharam pouco tempo depois, deixando os reatores sem refrigeração e em sério risco de superaquecimento.
Sem um suprimento contínuo de líquido refrigerador, o núcleo quente continuará a ferver a água em torno dele até que o combustível não esteja mais imerso. Se as varetas de combustível ficarem descobertas, elas poderão começar a entrar em fusão. Então, o combustível quente, radiativo, se depositará em poças no fundo do vaso que contém o reator. Na pior situação possível de fusão, a poça de combustível quente entrará em fusão, atravessará o vaso de contenção de aço e as barreiras subsequentes destinadas a conter o material nuclear; isso fará com que quantidades maciças de radiatividade fiquem expostas no exterior da usina.
Podemos comparar esse acidente com o de Chernobyl ou Three Mile Island? No momento, três dos reatores na estação Daiichi de Fukushima estão seriamente danificados. Nas unidades 1 e 3 houve explosões que destruíram as paredes exteriores, aparentemente a partir de acúmulos de gás hidrogênio produzido pelo zircônio nas varetas de combustível, que reagiu com a água de refrigeração a temperaturas extremamente altas – mas os vasos interiores de confinamento até aqui parecem estar intactos. Várias explosões ocorreram no reator No 2, e a situação permanece dramática. Mais recentemente, peritos indicaram que a situação já pode ser comparada a de Chernobyl.
A cidade de Ozersk, nos Urais do Sul, na Rússia, esconde relíquias de um massivo experimento secreto. Do início dos anos 50 até o fim da Guerra Fria, cerca de 250 mil animais foram sistematicamente irradiados. Algumas doses eram altas o bastante para matar instantaneamente; outras eram tão baixas que pareciam inofensivas. Depois que animais como camundongos, ratos, cães, porcos e macacos morriam, os cientistas dissecavam os tecidos para observar os danos que a radioatividade havia provocado. Temendo um ataque nuclear por parte dos Estados Unidos, a União Soviética queria entender como a radiação danifica tecidos e produz doenças como o câncer. Preocupações com acidentes locais como o desastre de 1957 na usina nuclear Mayak, perto de Ozersk, eram outra motivação. Amostras semelhantes de tecidos irradiados foram feitas nos Estados Unidos, Europa e no Japão, onde quase meio bilhão de animais foi sacrificado com esse fim. Com o fim da Guerra Fria essas coleções foram abandonadas.
Agora essas amostras se tornaram importantes para uma nova geração de radiobiólogos, que querem explorar os efeitos de doses extremamente baixas de radiação – abaixo de 100 milisieverts (mSv – unidade de medida que avalia os efeitos da radiação absorvida pelo organismo) –, normalmente utilizadas em procedimentos médicos como diagnósticos por tomografia computadorizada. Outro interesse dos pesquisadores é analisar os riscos aos quais as pessoas que vivem perto dos reatores nucleares danificados de Fukushima, no Japão, estão expostas.
As velhas coleções fornecem um recurso que não poderia ser recriado hoje. A maioria dos experimentos foi feita sob condições precisas, com várias de doses de radiação e geralmente por toda a vida dos animais. “Nós nunca conseguiremos repetir a escala desses experimentos, por razões éticas e de financiamento”, observa Gayle Woloschak, radiobiólogo da Northwestern University, em Illinois. “Mas talvez possamos reutilizar os tecidos restantes”, completa.
Nos últimos anos, pesquisadores do mundo todo organizaram um movimento para identificar e resgatar tecidos dos maiores experimentos de irradiação animal e receberam suporte de diversos tipos de agências de financiamento, incluindo a Comissão Européia, o Instituto Nacional do Câncer e o Departamento de Energia dos Estados Unidos.
Ainda assim, os desafios são grandes. Os pesquisadores devem mostrar que a idade das amostras e as técnicas de preservação usadas não afetaram o DNA, o RNA e as proteínas. Além disso, eles têm que juntar esses dados moleculares para revelar se os circuitos celulares são destruídos em baixas doses de radiação. Testes iniciais indicam que algumas das amostras serão utilizáveis. Reservatórios de radiação
Quando os sobreviventes das bombas nucleares de Hiroshima e Nagasaki e os trabalhadores contaminados de Mayak começaram a desenvolver doenças cardiovasculares a taxas acima do normal, ficou claro que a radiação faz mais do que “apenas” provocar câncer. O que não se sabe é se – e como – doses muito baixas de radiação podem aumentar riscos à saúde. Os biólogos geralmente supõem que o dano será proporcional à dose, mas estudos in vitro mostraram que as células conseguem restaurar danos modestos no DNA prouzidas por radiação – e que baixas doses de radiação podem até mesmo proteger o organismo contra exposições futuras.
“Talvez haja um limiar abaixo do que a radiação não seja nociva”, observa Wolfgang Weiss, diretor de proteção e saúde radioativa no Escritório Federal para Proteção contra Radiação da Alemanha, em Munique. Estudos epidemiológicos em pessoas expostas à radiação não trouxeram maiores explicações sobre o assunto. Algumas das pesquisas tinham um número muito baixo de pessoas estudadas para detectar o que poderia ser um pequeno aumento na incidência da doença; em outras não ficou claro qual a dose recebida. Assim, ainda que agências de proteção radioativa normalmente limitem a exposição ocupacional (na indústria nuclear, por exemplo) a uma média de 20 mSv por ano, os cientistas não têm dados adequados para afirmarem qual nível de radiação, se é que existe algum, é realmente seguro.
Em fevereiro de 2007, a busca para encontrar esses tecidos levou Soile Tapio a um dos antigos centros de pesquisa nuclear da Alemanha, o Helmholtz Centre Munich. Soile estava participando do programa “Promoção dos Arquivos Europeus de Radiobiologia” (ERA-PRO, em inglês), parte de um esforço desde 1996 para digitalizar os dados dos experimentos com radiação feitos na Europa. Em 2006, o diretor do programa de irradiação animal do Instituto Biofísico dos Urais do Sul (Subi), em Ozersk, alertou Soile sobre os diversos foco dos estudos que ocorriam ali. Ela não sabia exatamente o que esperar quando se pôs a caminho com sua pequena delegação da ERA-PRO. Proibido
Alguns meses foram necessários para receber a aprovação da Rússia para visitar a cidade fechada de Ozersk. Depois de um longo voo, uma viagem de carro de três horas e uma demorada autorização de segurança, um pequeno grupo de cientistas idosos levou a equipe até uma casa abandonada com furos no teto e janelas quebradas. Lâminas de vidro e cadernos de laboratório jaziam espalhados pelo chão de algumas salas. Mas outras, aquecidas, continham caixas de madeira com lâminas e blocos de cera em sacos plásticos. Em seus tempos de glória o programa tinha mais de 100 funcionários. Quando foi abruptamente fechado durante a Guerra Fria, apenas quatro ou cinco pessoas foram incumbidas de cuidar do material produzido. Os visitantes ficaram impressionados ao descobrir que esses cientistas podiam ligar todas as amostras, de 23 mil animais, a protocolos detalhados de experimentos individuais. “Os cientistas ficaram muito felizes com o fato de alguém finalmente reparar nas coleções”, descreve Soile. “Eles me disseram várias vezes que queriam deixá-las em ordem antes de morrer”.
Enquanto isso, outra operação de resgate de tecidos estava sendo feita nos Estados Unidos. Na metade da década de 90, Gayle trabalhou nas amostras de 7 mil cães (beagles) e 50 mil ratos que haviam sido irradiados em experimentos no Laboratório de Pesquisa Argonne, em Illinois, entre 1969 e 1992. Depois de se mudar para a Northwestern, ela descobriu que as amostras estavam sendo jogadas fora e conseguiu permissão do Departamento de Energia para armazená-las.
A Northwestern University atualmente é o lar de materiais provenientes de todos os estudos sobre irradiação animal dos Estados Unidos e Gayle estima que já recebeu 20 mil amostras. Ela descobriu também que muitos tecidos já foram destruídos, incluindo os de estudos feitos com ratos, no Laboratório Nacional Oak Ridge, no Tennessee, e os realizados com cães, na University of California. Coleções também foram destruídas em outros locais, incluindo os feitos pela Universidade de Hiroshima, no Japão, pela Agência Nacional de Novas Tecnologias, Energia e Desenvolvimento Econômico Sustentável em Casaccia, na Itália, e no complexo do Conselho de Pesquisas Médicas do Reino Unido.
Os cientistas sabem que colocar as mãos nos antigos tecidos será apenas o primeiro desafio: depois disso eles precisam descobrir se as biomoléculas dos materiais ainda podem ser detectadas e medidas. Eles querem identificar e analisar as rotas moleculares atingidas por pequenas doses de radiação para ver como as células de diferentes tecidos se adaptam – ou não – ao estresse, e como isso pode colocá-las no caminho das doenças. Eles também querem descobrir os padrões de moléculas podem ajudar a determinar quanta radiação uma pessoa recebeu ou por que ela é particularmente suscetível a doenças induzidas por radiação.
O trabalho de Gayle, feito em 1990 no velho laboratório Argonne, traz alguma esperança. Ela descobriu, por exemplo, que ao usar a técnica de reação em cadeia de polimerase ela poderia detectar mutações ou reorganizações em genes específicos. Soile, enquanto isso, adaptou técnicas proteômicas padrão de modo que pudessem ser aplicadas a alguns dos tecidos mais velhos. Além disso, vários grupos estão estudando se micro-RNAs – que ajudam a controlar a expressão de genes e são relativamente estáveis – estão presentes nas amostras.
Os cientistas agora estão prontos para aplicar esse trabalho sistematicamente aos tecidos restantes: Soile está prestes a começar a trabalhar com tecidos cardíacos aplicados em parafina dos antigos estudos russos e americanos. Ela quer identificar quaisquer sinais de danos que possam explicar a elevada incidência de doenças cardiovasculares em sobreviventes de bombas nucleares. “Os cientistas que fizeram essas pesquisas procuravam câncer, mas podemos buscar outras doenças que sabemos ser relevantes”, ressalta ela.
Os estudos podem, no entanto, identificar outras respostas moleculares. “A resposta das células ao estresse causado por qualquer dose de radiação é uma rede complexa de atividades que provavelmente afeta muitas rotas moleculares”, explica Soile. Os radiobiólogos esperam que o limiar da dose “segura” varie entre tecidos e espécimes diferentes.
De qualquer forma, os tecidos em Ozersk foram colocados em ordem, como esperavam seus antigos guardiões. Eles logo se mudarão para um prédio de armazenamento de última geração que está sendo construído no campus Subi, junto com tecidos humanos dos trabalhadores de Mayak expostos a radiação. Os tecidos animais, esperam os pesquisadores, passarão por uma nova fase – dessa vez em palco internacional.
Nenhuma equação é mais famosa que E = mc2, e poucas são mais simples. De fato, a fama da equação imortal se deve principalmente à sua absoluta simplicidade: a energia Ede um sistema é igual à sua massa m multiplicada por c2, a velocidade da luz ao quadro. A mensagem da equação é que a massa de um sistema é uma medida de seu conteúdo de energia. No entanto, E = mc2 traduz alguma coisa mais fundamental. Se pensarmos emc, a velocidade da luz, como um ano-luz por ano, o fator de conversão c2torna-se igual a 1. O que faz com que a equação se reduza a E = m. Energia e massa são iguais.
De acordo com o folclore científico, Albert Einstein formulou sua equação em 1905 e de uma estocada só, explicou como a energia é liberada em estrelas e em explosões nucleares. Essa é uma simplificação exagerada. Einstein não foi a primeira pessoa a considerar a equivalência entre massa e energia, na verdade, nem foi ele quem a provou.
Qualquer pessoa que passou por um curso básico de eletricidade e magnetismo sabe que corpos carregados conduzem campos elétricos, e que cargas em movimento também criam campos magnéticos. Portanto, partículas eletrizadas em movimento carregam campos eletromagnéticos.
No fim do século 19, filósofos da natureza acreditavam que o eletromagnetismo era mais fundamental que as leis do movimento de Isaac Newton, e que o próprio campo eletromagnético forneceria a origem da massa. Em 1881 J. J. Thomson, que mais tarde viria a descobrir o elétron, tentou demonstrar pela primeira vez, que isso seria possível calculando explicitamente o campo magnético gerado por uma carga esférica em movimento e mostrando que o campo induzia uma massa no interior da própria esfera.
O efeito é totalmente análogo ao que ocorre quando deixamos cair uma bolinha de frescobol no solo. A força da gravidade puxa a bola para baixo. Forças de flutuação e de arraste do ar impedem a queda da bola. Mas isso não é tudo. Com arraste ou sem arraste, para a bolinha cair ela precisa empurrar para fora de seu caminho o ar que está à sua frente e esse ar tem massa.
A massa “efetiva” da bolinha em queda é, consequentemente, maior que sua massa em repouso. Para Thomson o campo da esfera agiria como o ar na frente da bolinha, e nesse caso a massa efetiva da esfera seria toda a massa induzida pelo campo magnético.
O resultado ligeiramente complicado de Thomson dependia da carga, do raio e da permeabilidade magnética do corpo, mas em 1889, o físico inglês Oliver Heaviside simplificou os cálculos de Thomson e mostrou que a massa efetiva deveria ser m = (4⁄3) E/c2, onde E é a energia do campo elétrico da esfera. Os físicos alemães Wilhelm Wien — famoso por suas pesquisas sobre a radiação do corpo negro — e Max Abraham, obtiveram o mesmo resultado: que se tornou conhecido como “massa eletromagnética” do elétron clássico (o que nada mais era que uma minúscula esfera carregada). Apesar de que, para haver massa eletromagnética era preciso que o corpo estivesse carregado, e em movimento, o que claramente não se aplicava a todos os corpos, essa foi a primeira tentativa séria de relacionar massa e energia.
Tampouco foi a última. Quando, em 1884, o inglês John Henry Poynting enunciou o famoso teorema sobre conservação da energia do campo eletromagnético, outros cientistas tentaram rapidamente estender as leis da conservação para massa mais energia.
De fato, em 1900, o sempre presente Henri Poincaré declarou que se supusermos que o momentum de quaisquer partículas presentes num campo eletromagnético mais o momentum do próprio campo são ambos conservados, então o teorema de Poynting previa que o campo deve agir como um “fluido fictício” com massa tal que E = mc2. Poincaré, no entanto, não conseguiu relacionar E com a massa de qualquer corpo real.
O escopo das investigações foi ampliado novamente em 1904 quando Fritz Hasenöhrl criou um experimento mental envolvendo energia térmica numa cavidade em movimento. Relegado ao esquecimento nos dias atuais, exceto pelos detratores de Einstein, Hasenöhrl era na época mais famoso que o analista desconhecido do registro de patentes.
Hasenöhrl escreveu uma excelente trilogia de artigos — “Sobre a teoria da radiação de corpos em movimento”. Os dois últimos foram publicados no periódicoAnnalen der Physik, em 1904, e no início de 1905. No primeiro ele imaginou uma cavidade cilíndrica perfeitamente refletora na qual as duas calotas das extremidades — que serviam de aquecedores — eram ligadas, enchendo a cavidade com calor comum, ou em linguagem da física, com radiação de corpo negro. A terceira lei de Newton (“toda a ação gera uma reação igual e oposta”) afirma em linguagem moderna que qualquer fóton emitido por um aquecedor deve exercer uma força externa contra cada um deles (podemos supor que essas forças externas sejam o que mantém as calotas presas ao cilindro). Mas como fótons idênticos são emitidos de cada extremidade, as forças têm a mesma intensidade. Pelo menos, quando vistas por observador localizado no interior da cavidade.
Hasenöhrl, então perguntou, a seguir, como o sistema seria visto ao se deslocar com velocidade constante em relação a um observador situado no laboratório.
A física básica afirma que a luz emitida por uma fonte que se aproxima de um observador se desloca para o lado azul do espectro visível, e se a fonte se afasta do observador a luz se desloca para a extremidade vermelha do espectro. É o famoso desvio Doppler. Fótons emitidos por uma das calotas das extremidades sofrerão então desvio Doppler para o azul para o observador localizado no referencial do laboratório e os da outra extremidade serão desviados para o vermelho. Fótons azuis transportam mais momentum que vermelhos, por isso, para manter a cavidade se deslocando a uma velocidade constante as duas forças externas agora precisam ser diferentes. Uma aplicação simples do “teorema do trabalho-energia”, que relaciona a diferença de trabalho produzida pelas forças com a energia cinética da cavidade, permitiu que Hasenöhrl concluísse que a radiação do corpo negro tem massa m = (8⁄3) E / c2. Em seu segundo artigo, Hasenöhrl considerou uma cavidade cheia de radiação em movimento lentamente acelerado e obteve a mesma resposta. Depois de uma comunicação de Abraham, no entanto, ele descobriu um erro algébrico e em seu terceiro artigo ele corrigiu o resultado para m = (4⁄3) E / c2.
Ao considerar uma massa inerente ao calor, Hasenöhrl estendeu suas especulações anteriores além do campo eletromagnético de corpos eletrizados, até chegar a um experimento mental mais amplo, muito semelhante ao do próprio Einstein do ano seguinte que deu origem a E = mc2. Obviamente, Hasenöhrl estava escrevendo a pré-relatividade, e alguém poderia imaginar que um resultado incorreto seria inevitável. Porém, a questão não era assim tão simples. O astrônomo Stephem Boughn e eu analisamos detalhadamente a trilogia de Hasenöhrl e a alegação comum, “ele se esqueceu de levar em conta as forças que a própria cavidade exerce para manter as calotas das extremidades no lugar”, não é o problema. O maior erro no primeiro experimento mental de Hasenöhrl foi ele não ter percebido que se as calotas das extremidades emitiam calor, elas precisavam perder massa — um lapso irônico, visto que essa é exatamente a equivalência entre massa e energia que ele tentava obter. Apesar disso, Hasenöhrl estava bastante correto, a ponto de Max Planck chegar a dizer em 1909, “que a radiação do corpo negro possui inércia, foi mostrado pela primeira vez por F. Hasenöhrl”. A radiação do corpo negro — calor — tem massa.
O mais surpreendente é que no segundo experimento, no qual a cavidade já está cheia de radiação e as calotas não estão irradiando, a resposta de Hasenöhrl não está obviamente errada, mesmo de acordo com a relatividade. O famoso artigo de Einstein, E = mc2, de 1905, “A inércia de um corpo depende da energia nele contida?” considera somente uma partícula pontual emitindo uma explosão de radiação e pergunta — tal como Hasenöhrl também perguntou — como um observador em movimento vê o sistema. Ao considerar uma cavidade de comprimento finito, Hasenöhrl estava sendo muito mais audacioso, ou negligente. Corpos extensos têm produzido várias e longas dores de cabeça para a relatividade especial, como o fato de a massa do elétron clássico também sair da equaçãom = (4⁄3) E / c2. Ou seja, usando matemática relativisticamente correta obtém-se um resultado que aparentemente contradiz a reposta que qualquer um espera e quer. Argumentos sobre como resolver adequadamente a questão persistem até hoje.
Igualmente surpreendente foi o fato de que embora Einstein tenha sido o primeiro a propor a equação correta, E = mc2, ele, na verdade, não a provou, pelo menos, de acordo com sua própria relatividade especial. Einstein começou utilizando relações relativísticas (efeito Doppler relativístico) que tinha deduzido alguns meses antes, mas finalmente chegou bem perto dos bits relativísticos, deixando uma resposta que se pode tirar da física puramente clássica e que pode ou não permanecer verdadeira em velocidades mais altas onde a relatividade começa a ter efeito. Além disso, embora ele tenha afirmado que sua conclusão se aplica a todos os corpos e a todas as formas de energia, Einstein certamente não fez nenhuma tentativa para prová-la. Ele sabia dos pontos fracos de suas deduções e escreveu mais alguns artigos ao longo dos 40 anos seguintes tentando consertar as coisas, mas provavelmente jamais conseguiu. Obviamente, desde então inúmeros experimentos nos convenceram de como os resultados de Einstein estavam corretos.
É natural especular se Einstein sabia do trabalho de Hasenöhrl. É difícil acreditar que não, pois a maior parte da trilogia imbatível de Hasenöhrl apareceu nas mais renomadas revistas científicas na época. Certamente, em algum momento ele conheceu Hasenöhrl: uma fotografia famosa da primeira Conferência Solvay de 1911 mostra os dois juntos em torno da mesa com outros ilustres participantes.
Assim, embora Einstein tenha atingido um definitivo avanço conceitual ao relacionar a massa de um corpo com a energia total nele contida — quer esteja ou não em movimento, quer tenha ou não um campo eletromagnético associado — é preciso atribuir também os devidos créditos a Hasenöhrl, por ter descoberto, sem ambiguidade, que o próprio calor possui uma massa equivalente, e aos físicos que o precederam por terem fornecido a estrutura que lhe serviu de apoio. E = mc2 é o final surpreendente de uma longa e intrincada história científica.
O artigo foi originalmente publicado sob o título “Einstein realmente criou E = mc2?"
