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Astronomia por um semi-leigo – Da antiguidade até Newton

por em 09/10/2020 em Ciência, Notícias | Nenhum comentário

Astronomia por um semi-leigo – Da antiguidade até Newton

Oi. Sou o Leo, e normalmente escrevo aqui no Portal sobre Mecânica Quântica (KATCHIM! Kura quântica 1, Kura Quântica 2, Kura Quântica 3). Mas neste texto (e em um outro que virá num futuro próximo) vou falar sobre Astronomia. Como não sou totalmente especialista em Astronomia, vou chamar estes dois textos de “Astronomia por um semi-leigo”.

Vamos começar imaginando que você está deitado(a), em algum lugar do planeta Terra, no ano de 350 a.C. (antes da Era Comum) aproximadamente (2360 anos atrás…). Isto nem é tão difícil de imaginar, dado que conhecemos filmes e séries como De Volta para o Futuro e Dark. Você acorda, toma seu leite quente ou seu vinho, come seu pão, e vai passear do lado de fora de sua casa (era um feriado, ou você era muito rico(a) e você não tinha que trabalhar). Vamos imaginar também que você seja uma pessoa muito esperta e sagaz. Daí você se pergunta: “O Sol… aquela bola grande quente lá em cima… todos os dias nasce daquele lado e se põe daquele outro lado. Por que isto acontece?” Lembre-se que você está em 350 a.C., não tente imaginar a resposta com seu pensamento de hoje. Como você acha que modelaria este movimento do Sol com relação à Terra? Você não acha que seria muito mais fácil pensar que a Terra está parada, e que o Sol (e demais astros) giram em torno de nós? Vamos iniciar nosso pensamento que sim, a Terra está parada e os astros giram ao redor dela (“Nossa, um Terraplanista no Portal!!!” Não não, vá com calma que chegaremos lá!).

Agora imagine que você é um(a) “cientista” daquela época (OK, vamos continuar na imagem que você tinha tempo livre para ser um(a) pensador(a), para não nos confundirmos com a imagem atual de cientista). Sendo um(a) cientista você agora quer descrever – que é muito diferente de explicar – como os astros (Sol, Mércurio, Lua, Marte, Júpiter, Vênus e estrelas) se movem em torno da Terra, pois esta é a observação feita por você a respeito da Natureza. Mas, para descrever matematicamente os fenômenos você precisa: ou ter a matemática a seu dispor, ou construir a matemática necessária, correto? E agora José?

Na antiguidade a matemática “pouco” tinha se desenvolvido. “Pouco” está muito entre aspas, pois já existiam a escola Pitagórica, a escola Alexandrina, as escolas gregas em geral. A geometria já estava, pelo menos, bem fundamentada (por Euclides). Sendo assim, você vai tentar descrever o movimento dos astros de acordo com a geometria. Ao enxergar o Sol girando em torno da Terra, você pode tentar descrever o movimento dele em torno da Terra como o movimento circular, o que é LINDO pois o círculo é perfeito, e qual o movimento que Deus daria aos corpos? De um círculo! Daí, como cientista, você quer que a Natureza seja constante (o céu é imutável), e que os fenômenos “parecidos” tenham uma formulação matemática parecida. Você então diz que todos os planetas giram em círculos em torno da Terra!!! Maravilha. Com poucos erros, o movimento da Lua, do Sol, de Vênus e de Mercúrio estão até bem descritos (com certa aproximação). Mas o movimento de Marte especialmente não bate com sua descrição. :-(

Movimento retrógrado de Marte: seu movimento é observado no céu em relação às estrelas fixas. Note que ele parece “retornar” no céu, ou fazer um loop

Qual o problema com sua descrição? O movimento circular é o mais perfeito, a Terra está no centro do Sistema (e do Universo), que é bem perfeito, a matemática está correta. Então você pensa bastante e propõe o seguinte: o movimento de Marte é um movimento circular em torno da Terra somado a um movimento circular em torno de sua própria órbita. Pronto!!! Problema resolvido. Agora todos os movimentos dos astros são descritos pelo seu modelo, que chamaremos de modelo Ptolomaico (devido ao seu criador, Ptolomeu).

Modelo Ptolomaico: o movimento retrógrado (1a figura) é descrito como o movimento do planeta (P) circular em torno da Terra (T) porém com movimentos circulares secundários (2a e 3a Figuras).

Note que tudo o que você estudou possui o que hoje chamamos de caráter cinemático: em momento algum você menciona o quê causa o movimento, qual a causa física ou Natural do movimento. Pode ser que uma tartaruga invisível gigante carrega os planetas, ou que anjos batem suas asas de modo a mover os astros, ou duendes puxam os planetas para se movimentarem, ou que o bater das asas de dragões de Daenerys Targarien movam os astros. Seu estudo se resume a estudar o Sistema, sem saber a causa do movimento. Este modelo que acabamos de imaginar perdurou por muitos anos, e até certo ponto ele dava resultados totalmente compatíveis com observações. Mas, o movimento de Planetas, como o de Marte, e de cometas que surgiam no céu não possuía ainda total aceitação pelos seus colegas cientistas.

Aproximadamente em 1543 d.C. (depois da Era Comum), Copérnico publicou um livro onde ele, pela primeira vez até onde se sabe, propunha um Sistema centrado no Sol. Este sistema consegue explicar com precisão o movimento “estranho” de Marte. Mas, não tinha ainda nenhuma melhoria tão significativa com relação ao modelo Ptolomaico. O modelo Copernicano ficou em segundo plano entre os cientistas por muito tempo (tanto pelos séculos de “tradição” do modelo Ptolomaico, quanto pela igreja que achava muito mais justo para Deus que um sistema fosse centrado na Terra, sua maior criação).

Um modelo científico, além de descrever resultados experimentais com certa precisão, deve também prever resultados novos. Note que todos os fenômenos até então existentes eram descritos pelo modelo Ptolomaico, e não era necessário um novo modelo. Entre os séculos XVI e XVII nasceram e viveram vários dos maiores cientistas de todos os tempos. Vou citar alguns, que modificaram drasticamente a maneira como o ser humano descrevia a natureza: Tycho Brahe, Johannes Kepler, Galileu Galilei e Isaac Newton.

Galileu Galileu, um dos maiores cientistas de todos os tempos: inventou um tipo de telescópio mais potente e funcional que os que já existiam e conseguiu observar luas que giravam em torno de alguns planetas; observou que tanto a nossa Lua quanto Marte não são corpos perfeitos, esféricos e lisos; notou também que as luas de Júpiter se moviam com um movimento aproximadamente circular em torno do próprio planeta (o que contradizia o modelo Ptolomaico, que dizia que os corpos devem girar em torno da Terra). Galileu Galilei defendeu o sistema Copernicano, mas teve que aceitar publicamente, devido a pressões da igreja, que o modelo Heliocêntrico de Copérnico não era necessariamente o comportamento real da Natureza. Por fim, podemos citar que Galileo aparece também na letra da canção Bohemian Rapsody, da banda britânica Queen.

Tycho Brahe, além de ser uma pessoa extremamente excêntrica, foi um dos maiores astrônomos observacionais de todos os tempos. Uma pessoa muito metódica e cuidadosa com os experimentos, sendo que suas tabelas podem ser usadas para comparações até os dias de hoje. Mas, nenhum de seus modelos acertavam suas observações. Observe na Figura (gif animado) abaixo as observações de Marte realizadas por Tycho Brahe, e a fantástica previsão com as teorias recentes.

Cada ponto desta Figura é uma observação de Marte realizada por Tycho Brahe. A curva que aparece na animação é a descrição teórica do movimento. É impressionante!

Johannes Kepler, um excelente cientista e matemático, que tinha fé na perfeição da Natureza. Kepler fez vários modelos matemáticos para descrever o movimento dos astros, baseados nas observações de Brahe. Fez tanto modelos geocêntricos quanto modelos heliocêntricos, sendo que um dos modelos mais belos da astronomia se deve a ele (Figura abaixo). Com os dados de Tycho Brahe, Kepler chegou à conclusão que os planetas se movem em torno do Sol, em uma órbita que não é circular!!! A órbita dos planetas é uma elipse em torno do Sol!!!

Um dos modelos do sistema Solar proposto por Kepler, antes dele chegar em suas leis: os planetas se moveriam em torno do Sol em esferas inscritas nos chamados sólidos perfeitos!!! Como havia apenas 5 sólidos perfeitos e 5 distâncias entre os planeta conhecidos, isto não poderia ser coincidência, segundo Kepler!!! Um modelo muito bonito, mas não estava de acordo os dados experimentais.

As conhecidas 3 Leis de Kepler, e seu modelo de Sistema Solar (Sol no foco, planetas girando em órbitas elípticas), foram aceitas por alguns cientistas da época, e criticado por outros. Mas este modelo descrevia com muita precisão todos os dados experimentais até então obtidos, e conseguia prever a posição de astros celestes. Mas note que este ainda é um modelo cinemático: NADA foi dito do porquê os astros devem se mover em órbitas elípticas em torno do Sol, ou sobre suas velocidades. Agora entra em cena o que, talvez, tenha sido um dos homens que mais tenha mudado o pensamento científico em todos os tempos: Isaac Newton (muitos estudantes têm ódio mortal de Newton, por terem que calcular bloquinhos em planos inclinados, leis de força, gravitação, etc. Mas… vamos dar uma “forcinha” para nosso coleguinha e tentar entender o tanto que ele fez para progresso da humanidade).

Em seu livro Princípios Matemáticos da Filosofia Natural (neste livro, além de propor toda a estrutura de uma teoria dinâmica da Natureza, Newton introduz uma teoria matemática totalmente nova: o calculo diferencial e integral. Um livro genial. Difícil pra dedéu, mas genial!), Newton propõe uma teoria DINÂMICA da Natureza, ou seja, ele fala não somente sobre o comportamento dos corpos, mas O QUE CAUSA ESTE MOVIMENTO. Na segunda Lei de Newton (Força Resultante = Massa veze Aceleração; ou Força Resultante = taxa de variação do Momentum Linear) ele diz que um conjunto de forças pode acelerar um objeto. Aceleração implica em mudança na velocidade, que por sua vez implica em mudança de posição! Sendo assim, sabendo o conjunto de forças que atuam num corpo podemos saber com exatidão sua velocidade e sua posição no futuro. Esta é a primeira teoria científica dinâmica da Física (científica pelo menos como conhecemos ciência hoje)!!!

Newton também propôs um modelo para a Força que atrai a Terra em direção ao Sol. Sabendo a Força, em princípio, podemos achar a velocidade e a posição de qualquer objeto, em qualquer instante de tempo. As leis de Newton e a Lei de Força Gravitacional (entre corpos), aplicadas a um sistema Copernicano, conseguia deduzir as Leis de Kepler (!!!), conseguia descrever as observações de Galileu e de Tycho Brahe, e também conseguia prever a órbita de planetas e cometas (por exemplo, Halley, aquele do cometa Halley, era amigo de Newton e um dos principais incentivadores de sua teoria. A previsão do período de 76 anos do cometa Halley foi feita por Newton!!!). E Newton foi além, disse que esta força atua entre TODOS OS OBJETOS QUE POSSUEM MASSA, EM TODO O UNIVERSO!!! Pense em quanto esta afirmação é forte!!!

Uma das maiores conquistas da teoria de Newton foi a descoberta de Netuno: astrônomos haviam descoberto mais um planeta, Urano, e utilizado a teoria de Newton para “construir” sua órbita. Porém, as observações experimentais não “batiam” com a teoria de Newton. Os astrônomos, como possuíam fé na teoria de Newton (ter fé em uma teoria é um assunto interessante, que merece debate, mas não aqui neste texto), afirmaram que deveria existir um planeta, com uma determinada massa, e que se um astrônomo com um telescópio mais potente observasse o céu no dia e na hora prevista pela teoria Newtoniana, este planeta estaria lá. Em 23 de setembro de 1846, astrônomos confirmaram que realmente existia este planeta!!! Uma previsão teórica espetacular, vocês concordam???

A teoria Newtoniana, perdurou por séculos e até hoje é utilizada por vários cientistas para estudar os corpos celestes. É também utilizada para que as agências espaciais coloquem satélites em órbita, ou para enviarem sondas em planetas. É uma teoria linda, com um poder de previsão fantástico. Mas, será que ela é a teoria que melhor descreve o movimento de todos os corpos celestes? De fato, hoje sabemos que a teoria Newtoniana é um limite especial de uma teoria muito mais complexa e exata (outro tema que pode ser debatido, se uma teoria é exata, se teorias descrevem a realidade ou modelam a mesma… assunto para outros textos!) para a descrição dos fenômenos celestes, que é a teoria da Relatividade Geral. Mas isto não desmerece de forma alguma a teoria Newtoniana, que continua sendo utilizada e aplicada em vários setores da ciência. Chegaremos à Relatividade Geral em outro texto!

Forte abraço,

Leo.

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