Este cientista mudou a maneira como entendemos a luz. E provavelmente você nunca ouviu falar dele.

Um retrato do cientista James Clerk Maxwell feito por volta de 1875. Crédito da imagem: Stefano Bianchetti / Corbis via Getty Images

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Todo mundo é fã de Albert Einstein, e por um bom motivo: ele inventou pelo menos quatro novos campos da física, criou uma teoria da gravidade totalmente nova a partir de sua própria imaginação e nos ensinou a verdadeira natureza do tempo e do espaço. Mas de quem Einstein era fã?

A maioria das pessoas não está familiarizada com Maxwell, um cientista e polímata escocês do século 19. No entanto, ele foi talvez o maior cientista de sua geração e revolucionou a física de uma forma que ninguém esperava. Na verdade, levou anos para os colegas de Maxwell perceberem o quão incrível, e certo, ele era.

Na época, um dos grandes focos de interesse científico eram as propriedades estranhas e desconcertantes da eletricidade e do magnetismo. Embora as duas forças fossem conhecidas da humanidade por milênios, quanto mais os cientistas estudavam essas forças, mais estranhas elas pareciam.

Os povos antigos sabiam que certos animais, como as enguias elétricas, podiam causar choques se você as tocar e que certas substâncias, como o âmbar, podem atrair coisas se você as esfregar. Sabiam também que um raio pode causar incêndios. Eles haviam encontrado rochas aparentemente mágicas, chamadas de magnetitas, que podiam atrair pedaços de metal. E eles haviam dominado o uso da bússola, embora sem entender como funcionava.

No momento em que Maxwell entrou em cena, uma ampla variedade de experimentos havia se expandido na estranheza dessas forças. Cientistas como Benjamin Franklin descobriram que a eletricidade dos raios pode ser armazenada. Luigi Galvani descobriu que atacar organismos vivos com eletricidade fazia com que eles se movessem.

Enquanto isso, cientistas franceses descobriram que a eletricidade descendo por um fio poderia atrair, ou repelir, dependendo da direção do fluxo, outro fio e que esferas eletrificadas poderiam atrair ou repelir com uma força proporcional ao quadrado de sua separação.

Mais desconcertantemente, parecia haver uma estranha ligação entre eletricidade e magnetismo. Fios eletrificados podem desviar o movimento de uma bússola. Iniciar o fluxo de eletricidade em um fio pode estimular o fluxo de eletricidade em outro, mesmo que os fios não estejam conectados. Agitar com movimentos um ímã pode gerar eletricidade.

Tudo isso era absolutamente fascinante, mas ninguém tinha ideia do que estava acontecendo.

O grande unificador

Então Maxwell apareceu. Ele tinha ouvido falar de toda essa confusão de eletricidade e magnetismo enquanto trabalhava em outro problema: como funciona a visão com as cores. (Na verdade, ele inventou a fotografia colorida.) 

Em apenas alguns anos, Maxwell imaginou a física e a matemática necessárias para explicar todos os experimentos relacionados à eletricidade e ao magnetismo.

Para fazer isso, ele só precisava pensar como um futuro cientista.

Hoje, a física moderna é baseada no conceito de campo, uma entidade que abrange todo o espaço e tempo e diz a outros objetos como se mover. Embora Maxwell não tenha sido o primeiro a imaginar tal campo, ele foi o primeiro a colocá-lo para funcionar e transformá-lo de um truque matemático conveniente em uma entidade física real.

Por exemplo, Maxwell imaginou as forças da eletricidade e do magnetismo a serem transportadas e comunicando-se através de campos elétricos e magnéticos. Maxwell disse que uma carga elétrica produziria um campo elétrico que a cercaria. Quaisquer outras cargas poderiam sentir este campo e, com base na força e direção do campo, saberia como responder à força da carga original.

O mesmo acontecia com o campo magnético, e Maxwell deu um passo adiante. Ele percebeu que os campos elétricos e magnéticos são os dois lados da mesma moeda: eletricidade e magnetismo não eram duas forças separadas e distintas, mas apenas duas expressões da mesma força eletromagnética unificada. Você não pode pensar em eletricidade sem pensar também em magnetismo e vice-versa.

Que haja luz

Os insights de Maxwell tomaram a forma de 20 equações interconectadas, que, alguns anos depois, foram reduzidas a quatro equações de eletromagnetismo que ainda são ensinadas a cientistas e engenheiros hoje. Sua revolução se seguiu à primeira unificação da física de Isaac Newton, na qual a gravidade da Terra foi unida à gravidade dos céus sob uma única lei, e as equações de Maxwell ficaram conhecidas como a segunda grande unificação da física.

O insight de Maxwell foi enorme, quem poderia imaginar que eletricidade e magnetismo não estavam apenas relacionados, mas eram a mesma coisa? A física moderna trata de encontrar princípios unificadores únicos para descrever vastas áreas de fenômenos naturais, e Maxwell levou o partidarismo da unificação para o próximo nível.

Mas Maxwell não parou por aí. Ele percebeu que a mudança de campos elétricos poderia induzir campos magnéticos e vice-versa. Então ele imediatamente começou a se perguntar se tal configuração poderia ser auto-reforçada, em que um campo elétrico variável criaria um campo magnético variável, que poderia então criar um campo elétrico variável e assim por diante.

Maxwell percebeu que esta seria uma onda, uma onda de eletromagnetismo. Ele começou a calcular a velocidade dessas ondas eletromagnéticas, usando a intensidade das forças da eletricidade e do magnetismo, e surgiu... a velocidade da luz.

Ao introduzir o conceito de campo na análise da eletricidade e do magnetismo, Maxwell descobriu que a luz, em todas as suas formas, do infravermelho às ondas de rádio, às cores do arco-íris, era na verdade ondas de radiação eletromagnética.

Com um conjunto de equações, um salto brilhante de intuição e percepção, Maxwell uniu três grandes reinos da física: eletricidade, magnetismo e óptica. Não me surpreende que Einstein o admirasse.

Este artigo foi escrito originalmente por Paul M. Sutter,  Paul é astrofísico da SUNY Stony Brook e do Flatiron Institute, apresentador de "Ask a Spaceman" e "Space Radio" e autor de "How to Die in Space".

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Referência:

SUTTER, Paul. Who was James Clerk Maxwell? The greatest physicist you've probably never heard of. Space, 29, set. 2021. Disponível em: <https://www.space.com/who-was-james-clerk-maxwell-physicist>. Acesso em: 29, set. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.