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Obra originalmente publicada sob o título Conceptual Physics, 9h Edition & 2002, Addison Wesley. Tradução autorizada a partir do original em inglês publicado por Pearson Education pelo selo Benjamin Cummings. ISBN 0.321.05202-1 Capa: Mário Rôóhnelr Preparação do original: Waison Pontes Carpes Supervisão editorial: A rvsinha Jacques Affonso Editoração eletrônica: Luser House Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à ARTMED? EDITORA S.A. (BOOKMAN” COMPANHIA EDITORA é uma divisão da ARTMED” EDITORA S. A. Av. Jerônimo de Omelas, 670 — Santana 90040-340 -- Porto Alegre R$ Fone; (51) 2027-7000 Fax: (51) 3027-7070 É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros), sem permissão expressa da Editora. SÃO PAULO Av. Angélica, 1.091 — Higienópolis (01227-100 = São Paulo = SP Fone: (11) 3665-1100 Fax: (11) 3667-1333 SAC O800 703-3444 IMPRESSO NO BRASIL PRINTED IN BRAZIL 20 Sumário Denlhado Colisões 105 Colisões Mais Complicadas 108 ia 114 Trabalho 114 Potência 115 Energia Mecânica 16 Energia Potencial 16 Energia Cinética 118 O Teorema Trabalho-Energia 118 Conservação da Energia 119 Máquinas 120 Rendimeno 122 Comparação entre Energia Cinética e Momentum 123 Fontes de Energia 125 Energia para a Vida 126 8 movimento de Rotação 132 Movimento Circular 132 Torque 137 walizand g : si 19 Estabilidade 140 Força Centrípeta 142 Força Centrífuga 143 Força Centrífuga em um Sistema de Referência em Rotação 144 Momentum Angular 147 Conservação do Momentum Angular 148 OQ ravidade 156 10 Lei da Gravitação Universal 156 A Constante G da Gravitação Universal 157 Gravidade e Distância: a Lei do Inverso do Quadrado 158 Peso e Imponderabilidade 160 Marés 16] Marés na Terra e na Atmosfera 164 Campos Gravitacionais 165 Campo Gravitacional Dentro de um Planeta 165 A Teoria de Einstein da Gravitação 167 Buracos Negros 167 Gravitação Universal 169 Movimento de Projéteis e de 13 Satélites 175 Movimento de Projéteis 175 Projéteis Lançados Horizontalmente 176 Projéteis Lançados Obliquamente 177 Projéteis Velozes - Satélites 181 Órbitas Elípticas 184 As Leis de Kepler do Movimento Planetário 186 Conservação da Energia e Movimento de Satélites 188 Rapidez de Escape 189 Líquidos 231 A Hipótese Atômica 196 Os Elementos 197 Imagens Atômicas 199 O Elétron 201 O Próton 203 O Nêuiron 205 Quarks 205 Elementos, Compostos e Misturas 208 Moléculas 209 : p O Micrógrafo de Miiller 215 “Tensão e Compressão 219 Arcos 22] : Ê "4 Mudanças de Escala 223 Pressão 23] Pressão em um Líquido 231 Empuxo 234 O Princípio de Arquimedes 235 Por que um Objeto Afunda ou Flutua? 236 Flutuação 237 O Princípio de Pascal 238 Tensão Superficial 240 Capilaridade 241 14 cases e Plasmas 247 A Atmosfera 247 Pressão Atmosférica 248 Barômetros 250 A Lei de Bovle 252 O Empuxo do Ar 253 O Princípio de Bernoulli 254 Aplicações do Princípio de Bernoulli 256 Plasmas 259 pi Mundo Cotidi 259 A Energia do Plasma 260 Material com direitos autorais EH 15 Temperatura, Calor e Dilatação 268 Temperatura 268 Calor 270 Medindo Calor 271 Calor Específico 272 Dilatação Térmica 273 A Dilatação da Água 275 16 Transferência de Calor 281 Condução 281 Convecção 282 Radiação 284 Emissão de Energia Radiante 285 Absorção de Energia Radiante 287 Reflexão de Energia Radiante 287 Resfriamento Notumo por Radiação 289 A Lei de Newton do Resfriameno 290 O Efeito Estufa 290 Potência Solar 29] Controlando a Transferência de Calor 292 17 Mudanças de Fase 298 Evaporação 298 parte 4 SOM 19 Vibrações e Ondas 330 A Oscilação de um Pêndulo 330 Descrição Ondulatória 331 Mavi Ondulatório 332 A Rapidez da Onda 333 Oúsdas Longitudinais 335 Interferência 335 Efeito Doppler 337 Ondas de Choque 339 20 som 345 A Origem do Som 345 A Natureza do Som no Ar 346 Meios que Transmitem o Som 347 22 Eletrostática 372 Forças Elétricas 372 Cargas Elétricas 373 Conservação da Carga 374 Sumário Detalhado 21 EE Condensação 299 Condensação na Atmosfera 300 Nevoeiro & Nuvens 30] Ebulição 302 Géiseres 303 A Ebulição é um Processo de Resfriamento 303 Ebulição e Congelamento ao Mesmo Tempo 303 Fusão e Congelamento 304 Regelo 304 Energia e Mudanças de Fase 304 18 termodinâmica 312 O Zero Absoluto 312 Energia Interna 313 À Primeira Lei da T linâmica 314 A Meteorologia e a Primeira Lei 316 A Segunda Lei da Termodinâmica 318 Máquinas Térmicas 319 A Ordem Tende para a Desordem 321 Entropia 324 329 Velocidade do Som no Ar 348 Reflexão do Som 348 Refração do Som 348 Energia das Ondas Sonoras 350 Vibrações Forçadas 350 Fregiiência Natural 350 Ressonância 351 Interferência 35] Lei de Coulomb 375 Condutores e Isolantes 376 Semicondutores 376 Supercondutores 377 Sumário Detalhado 23 30 emissão detuz 513 31 os quanta da Luz 528 Excitação 513 O Nascimento da Teoria Quântica 529 Espectro de Emissão 515 A Quantização e a Constante de Planck 529 Incandescência 517 O Efeito Fotoelétrico 530 Espectro de Absorção 518 Dualidade Onda-Pantícula 532 Fluorescência 518 O Experimento da Fenda Dupla 533 Lâmpadas Fluorescentes 520 Partículas como Ondas: Difração de Elétrons 534 Fosforescência 520 O Princípio da Incerteza 535 O Laser 521 Complementaridade 538 Meia-vida 559 32 O Átomo e o Quantum 544 Detectores de Radiação 560 À Descoberta do Núcleo Atômico 544 Transmutação Natural de Elementos 562 Os Espectros Atômicos; Pistas da Estrutura Atômica Transmutação Artificial de Elementos 563 45 Isótopos Radioativos 565 O Modelo Atômico de Bohr Sá Datação pelo Carbono 566 Os Tamanhos Relativos dos Átomos 547 Datação pelo Urânio 568 A Explicação para os Níveis de Energia Quantizada: Efeitos da Radiação sobre Seres Humanos 568 Ondas de Elétrons 548 Dosagem de Radiação 570 A Mecânica Quântica 549 O Princípio da Correspondência 550 34 Fissão e Fusão Nucleares 575 Radioatividade 554 Baton ade Fissite Nin leur 578 O Plutônio 579 Raios X e Radioatividade 554 O Reator Regenerador 581 Radiações Alfa, Beta e Gama 555 Energia de Fissão 581 O Núcleo 556 Equivalência Massa-Energia 582 Isótopos 557 Eusão Nuclear 585 Por que os Átomos são Radioativos 558 Fusão Controlada 588 í : Massa, Energia e E = me” 615 35 A Teoria Especial da Relatividade 596 eng A O Movimento é Relativo 597 O Experimento de Michelson-Morley 597 36 Teoria Geral da Relatividade 623 Os Postulados da Teoria Especial da Relatividade O Princípio da Equivalência 623 8 Desvio da Luz pela Gravidade 624 Simultaneidade 599 Gravidade e Tempo: o Desvio para o Vermelho O Espaço-Tempo 600 Gravitacional 626 Dilatação Temporal 601 Gravidade e Espaço: o Movimento de Mercúrio 628 A Viagem do Gêmeo 604 Gravidade, Espaço e uma Nova Geometria 629 Adição de Velocidades 609 Ondas Gravitacionais 630 Viagens Espaciais 610 Gravitação Newtoniana e Gravitação Einsteniana Contração do Comprimento 612 631 Momentum Relativístico 613 24 Sumário Detalhado Epílogo 635 Apêndice A sistemas de Unidades 637 O Sistema de Unidades Usuais dos Estados Unidos 637 O Sistema internacional 637 O Metro 637 O Quilograma 638 O Segundo 638 O Newton 638 O Joule 038 O Ampére 638 O Kelvin 639 Área 639 Volume 639 A Notação Científica 639 Apêndice B Mais Sobre o Movimento 640 Calculando a Velocidade e a Distância Percorrida sobre um Plano Inclinado 640 Calculando a Distância quando a Aceleração é Constante 641 Apêndice Cc Gráficos 643 Gráficos - Uma Maneira de Expressar Relações Quantitativas 643 Gráficos Cartesianos Ad3 Declividade e Área sob uma Curva 644 Fazendo Gráficos com o Física Conceitual 644 Apêndice D Mais Sobre Vetores 646 VElOTES e Escalares f Lá DRE Obtendo as Componentes de Vetores 646 Exemplos 646 Apêndice E Crescimento Exponencial e Tempo de Duplicação 651 incaii Créditos das fotos 6275 Índice 677 Uau, vô Charlie! Até esse pintinho ocupar todo o ovo e quebrar a casca, deve ter pensado que estava em seus últimos momentos. Mas o que parecia ser seu fim, acabou sendo um novo começo. Será que somos como os pintinhos, prestes a penetrar num novo ambiente e a alcançar uma nova compreensão do nosso lugar no universo? SOBRE A CIÊNCIA dE www. physicsplace.com Às manchas circulares de luz rodeando Lillian Lee são imagens do Sol, projetadas através de pe- quenas aberturas entre as folhas que estão acima dela. Durante um eclipse parcial, as manchas têm a forma de uma lua crescente. m primeiro lugar, ciência é o corpo de conhecimentos que descreve a ordem na natureza e a origem desta ordem. Se- gundo, ciência é uma atividade humana dinâmica que represen- ta as descobertas, os saberes e os esforços coletivos da raça humana — com a finalidade de reunir conhecimento sobre o mundo, organizá-lo e condensá-lo em leis e teorias testáveis. A ciência teve início antes da história escrita, quando as pes- soas começaram a descobrir as regularidades e os relaciona- mentos na natureza, tais como padrões de estrelas no céu no- turno e padrões de clima = quando a estação chuvosa come- çava ou os dias tornavam-se mais longos. partir dessas regu- laridades, elas aprenderam a fazer previsões, que lhes davam al- gum controle sobre o que as cercavam. A ciência tomou grande impulso na Grécia no terceiro e quarto séculos a.C. Espalhou-se pelo mundo mediterrânico. O avanço científico chegou quase a parar com a queda do Impé- rio Romano no século quinto d.C. Hordas bárbaras destrui- ram quase tudo em seu caminho quando se espalharam pela Europa e precederam o que veio a ser conhecido como a Ida- de das Trevas. Durante esse tempo, os chineses e os polinésios estavam catalogando as estrelas e os planetas, e as nações ára- bes estavam desenvolvendo a matemática e aprendendo a pro- duzir vidro, papel, metais e vários produtos químicos. À ciência grega foi reintroduzida na Europa através das in- fluências Islâmicas que penetraram na Espanha durante os sé- culos dez, onze e doze. As universidades emergiram na Europa durante o século treze e a introdução da pólvora mudou a es- trutura social e política da região no século quatorze. O sécu- lo quinze assistiu à arte e à ciência maravilhosamente mescla- das por Leonardo da Vinci. O conhecimento científico foi favo- recido pelo advento da imprensa no século dezesseis. O astrônomo polonês Nicolau Copérnico, no século de- zesseis, causou grande controvérsia quando publicou um livro em que propunha o Sol estacionário e a Terra girando ao seu redor. Essas idéias entraram em conflito com a visão popular da Terra como o centro do universo. Também entraram em conflito com os ensinamentos da Igreja e foram banidas por 200 anos. O físico italiano Galileu Galilei foi preso por divulgar a teoria de Copérnico e por suas outras contribuições ao pen- samento científico, Mesmo assim, os defensores de Copérnico foram aceitos um século depois. Esse tipo de ciclo ocorre era após era. No início do sécu- lo XIX, geólogos sofreram violentas condenações por discor- darem do Gênesis sobre a criação. Mais tarde, no mesmo sé- culo, a geologia foi aceita, mas as teorias evolucionárias foram condenadas e seu ensino proibido. Cada época tem seus gru- pos de intelectuais rebeldes que são condenados e algumas ve- zes perseguidos, mas que mais tarde parecem inofensivos e frequentemente essenciais para a elevação das condições hu- manas. “Em toda encruzilhada da estrada que leva ao futuro, 30 Fisica Conceitual om Alexandro vertical em Ftud Estaca Vertical Raios solares praticamente paralelos — Alexandria VZ 7 — do FIGURA 1.1 Quando o Sol está diretamente acima de Siena, não está diretamente acima de Alexandria, 800 km ao norte. Quando os raios solares incidem diretamente ao longo de um poço vertical em Siena, eles projetam uma sombra sobre uma estaca vertical em Alexan- dria. Às verticais em ambas as localidades prolongam-se até o centro da Terra e formam entre si o mesmo ângulo que os raios de Sol for- mam com a estaca em Alexandria. Eratóstenes mediu tal ângulo como sendo 1/50 de um circulo completo. Portanto, a distância entre Ále- xandria e Siena equivale a 1/50 da circunferência da Terra. (Equivalentemente, a sombra projetada pela estaca é 1/8 da altura da mesma, o que significa que a distância entre as duas localidades equivalem a 1/8 do raio da Terra). sa sombra. Aristarcos estudou cuidadosamente este evento e descobriu que a largura da sombra da Terra sobre a Lua era 2,5 vezes maior do que o diâmetro lunar. Isto parecia indi- car que o diâmetro lunar fosse 2,5 vezes menor que o da Terra. Mas, devido ao enorme tamanho do Sol, a sombra da Terra se estreita, o que é evidenciado por um eclipse solar. (A Figura 1.2 ilustra isso em escala exagerada.) Durante o fenômeno, a Terra intercepta a sombra da Lua — mas apenas numa região muito pequena de sua superfície. A sombra da Lua se estreita até quase se tornar um ponto sobre a superff- - Pi » < Órbita da Lua f f / Lua durante o Raios de luz vindos da e cie da Terra, uma evidência de que o estreitamento da som- bra da Lua ao longo de sua distância até a Terra é de um diá- metro lunar. Assim, durante um eclipse lunar, a sombra da Terra, cobrindo a mesma distância, deve também estreitar- se em um diâmetro lunar. Levando em conta o estreitamen- to do feixe de raios de luz do Sol, o diâmetro da Terra deve- ria ser (2,5 + 1) vezes maior do que o diâmetro da Lua. Des- ta maneira, Aristarcos mostrou que o diâmetro da Lua é 1/3,5 do da Terra. O valor correntemente aceito para o diá- metro da Lua é de 3.640 km, o que difere em menos do 5% — a, ia ms " ME H ' A sombra da Terra é 2,5 vezes mais larga que a Lua o Terra borda superior do Sol eclipse solar E mm M (B Raios de luz vindos da | Sombra da Lua testreita-se em 1 diâmetro lunar mc borda inferior do so 1! ma, 1 Lua durante o eclipse lunar — FIGURA 1.2 Durante um eclipse lunar, observa-se que a sombra da Terra é 2,5 vezes maior do que o diâmetro da Lua. Devido ao grande tamanho do Sol, a sombra da Terra deve afilar-se, formando um cone. À razão do estreitamento é evidente durante um eclipse solar, no qual, desde a Lua até a Terra, a sombra da Lua estreita-se em um diâmetro lunar, Ássim,a sombra da Terra estreita-se na mesma proporção na mesma distância. Portanto, o diâmetro da Terra deve valer 3,5 vezes o diâmetro lunar. Sol Capítulo | + Sobrea Ciência 31 Órbita da Lua, — | no Terra Z (muito pequena para se ver) FIGURA 1.3 Escala correta para eclipses lunares e solares, ilustrando porque são tão raros os eclipses. (São ainda mais raros porque a ór- bira lunar é inclinada em aproximadamente 5º em relação ao plano da órbita terrestre em torno do Sol.) do valor calculado por Aristarcos. A Distância da Lua Fixe uma pequena moeda no vidro de uma janela e olhe-a com um dos olhos de maneira que ela bloqueie exatamente a Lua toda, Isto acontece quando nosso olho está a uma dis- tância aproximadamente igual a 110 vezes o diâmetro da moeda. Nesta situação, a razão diâmetro da moeda/distân- cia da moeda é cerca de 1/110. Através de um raciocínio geométrico, usando semelhança de triângulos, pode-se mos» trar que esta é também a razão diâmetro da Lua/distância da Eua (Figura 1.4). Logo, a distância da Lua vale TIO vezes o diâmetro lunar. Os gregos antigos sabiam disso, As medidas calculadas por Aristarco para o diâmetro lunar era tudo que se precisava para calcular a distância Terra-Lua. Assim os gregos antigos descobriram tanto o tamanho da Lua como sua distância da Terra. Dispondo dessa informação, Aristarco mediu a distân- cia Terra-Sol. Diâmetro da moeda A Distância do Sol Se você repetisse o exercício moeda-sobre-janela-e-Lua pa- ra o caso do Sol (o que seria perigoso, por causa do brilho do Sol), adivinhe o que encontraria: que a razão diâmetro do Sol/distância do Sol é também 1/110. Isso, porque o Sol e a Lua aparentam, ao olho, serem de mesmo tamanho. Ambos subentendem o mesmo ângulo (cerca de 0,5"). Assim, em- bora a razão do diâmetro para a distância fosse conhecida dos gregos antigos, o diâmetro ou a distância teria de ser de- terminado de alguma outra maneira, Aristarcos encontrou uma maneira de fazê-lo e propôs uma estimativa. Eis o que fez: Aristarcos observou a fase da Lua quando ela estava exatamente metade cheia, com o Sol sendo amda visível no céu. Nesta situação, a luz solar devia estar incidindo sobre a Lua em ângulo reto com a linha de visão dele. Isso signifi- cava que as linhas entre a Terra e a Lua, e entre a Terra e o Sol, e entre a Lua e o Sol, formavam um triângulo retângu- lo (Figura 1,5). Diâmetro da Lua — t Distância até a moeda Distância até a Lua >] Diâmetro da moeda Diâmetro lunar 1 Distância da moeda Distância lunar —no FIGURA 1.4 Um exercício com razões. Quando a moeda “eclipsa” totalmente a Lua, então o diâmetro da moeda, pela distância entre vo- cê e ela, é igual ao diâmetro da Lua pela distância entre você e a Lua (a figura não está em escala). As medidas dão o mesmo valor de I/LIO para as razões, Meia-Lua Terra FIGURA 1.5 Quando a Lua aparece metade cheia, o Sol, a Lua e a Terra formam um triângulo retângulo (não está em escala). À hipotenu- sa é a distância Terra-Sol. Por trigonometria simples. a hipotenusa de um triângulo retângulo pode ser obtida se você conhece o valor de um dos ângulos não-retos e o comprimento de um dos catetos.A distância Terra-Lua é um cateto conhecido. Meça o ângulo X e você calcula a distância Terra-Sol. FIGURA 1.8 As manchas de luz solar em forma crescente são imagens do Sol du- rante um eclipse solar parcial. Matemática: a Linguagem da LE] ” Ciência A ciência e as condições de vida humana avançaram significativamente depois que a ciência e a matemática inte- graram-se há uns quatro séculos. Quando as idéias da ciên- cia são expressas em termos matemáticos, elas não são am- bíguas. As equações científicas provêem expressões com- pactas das relações entre os conceitos. Não possuem os du- plos significados que freqiientemente tornam confusa a dis- cussão de idéias em linguagem comum. Quando as desco- bertas sobre a natureza são expressas matematicamente, é mais fácil comprová-las ou negá-las através de experimen- tos. A estrutura matemática da física está evidente nas mui- tas equações que você encontrará ao longo deste livro. Elas são guias para o pensamento, mostrando as conexões entre os conceitos sobre a natureza. O método matemático e a ex- perimentação levaram a ciência a um enorme sucesso. O Método Científico O físico italiano Galileu Galilei e o filósofo inglês Francis Bacon são geralmente citados como os principais fundado- res do método científico — um método extremamente efeti- vo em adquirir, organizar e aplicar os novos conhecimentos. Baseado no pensamento racional e na experimentação, este método, introduzido no século dezesseis. funciona assim: “ Fazemos distinção entre a estrutura matemática da Física e a prática de reso- lução de problemas matemáticos — o foco da maioria dos cursos não-concei- tuais. Observe o número relativamente pequeno de problemas nos finais de ca- pítulos. neste livro, comparado com o número de exercícios. O Física Concei- tual põe a compreensão antes da computação. Capitulo | + Sobrea Ciência 33 1. Identifique uma questão ou um problema. 2. Faça uma suposição culta — uma hipótese — em respos- ta. 3. Faça uma previsão das consequências que devem ser observadas se a hipótese estiver correta e que deveriam estar ausentes se a hipótese não fosse correta. 4. Realize experimentos para verificar se as conseguên- cias previstas estão presentes. 5. Formule a lei mais simples que organiza os três ingre- dientes — hipótese, efeitos preditos e resultados experi- mentais. Embora este método clássico seja poderoso, a boa ciên- cia nem sempre é feita dessa maneira. Muitos avanços cien- tíficos costumam envolver tentativa e erro, experimentação sem uma hipótese clara, ou apenas mera descoberta aciden- tal, Observação disciplinada, entretanto, é essencial para perceber questões pela primeira vez e dar sentido às evidên- cias. Mas mais do que um método particular, o sucesso da ciência deve muito a uma atitude comum aos cientistas. Tal atitude é a da investigação, experimentação e modéstia — a boa-vontade em admitir erros. A Atitude Científica É comum se pensar num fato como algo imutável e absolu- to. Mas em ciência, um fato é geralmente uma concordân- cia estreita entre observadores competentes sobre uma série de observações do mesmo fenômeno, Por exemplo, onde foi uma vez fato que o universo era imutável e permanente, ho- je é um fato que está se expandindo e evoluindo, Uma hipó- tese científica, por outro lado, é uma suposição culta que so- mente é tomada como factual depois de testada pelos expe- rimentos. Após ser testada muitas € muitas vezes € não ser negada, uma hipótese pode tornar-se uma lei ou princípio. Se as descobertas de um cientista evidenciam uma con- tradição a uma hipótese, lei ou princípio, então deve ser abandonada dentro do espírito científico — não importa a re- putação ou a autoridade das pessoas que a defendem (a me- nos que a evidência negativa mostre-se errônea — como acontece, às vezes). Por exemplo, o filósofo grego altamen- te respeitável Aristóteles (384-322 a.C.) afirmava que um objeto cai com uma velocidade proporcional ao seu peso. Esta idéia foi aceita como verdadeira por quase 2.000 anos, por causa da grande autoridade de Aristóteles, Galileu su- postamente demonstrou a falsidade da afirmativa de Aristó- teles com um experimento — mostrando que objetos leves e pesados caíam da torre inclinada de Pisa com valores de ra- pidez aproximadamente iguais. No espírito científico, um único experimento comprovadamente contrário tem mais valor do que qualquer autoridade, não importa sua reputa- ção ou o número de seus seguidores ou defensores. Na ciên- 34 Fisica Conceitual cia moderna, argumentos de apelo à autoridade têm pouco valor. Os cientistas devem aceitar descobertas experimentais mesmo quando gostaram que fossem diferentes. Devem es- forçar-se para distinguir entre o que véem e o que desejam ver. pois os ciêntistas, como as pessoas, têm grande capaci- dade de enganar a si mesmos. As pessoas têm sempre a tendência de adotar regras, crenças, credos. idéias é hipóte- ses, sem questionar profundamente a sua validade, e a man- tê-las por muito tempo após terem se mostrado sem signifi- cado, falsas cu no mínimo questionáveis. As suposições mais difundidas são frequentemente as menos questionadas. Muitas vezes, quando uma idéia é adotada, uma atenção es- pecial é dada aos casos que parecem corroborá-la, ao passo que aqueles casos que parecem refutá-la são distorcidos, de- preciados ou ignorados. Os cientistas usam a palavra teoria de maneira diferen- te à que é adotada no falar cotidiano. Na linguagem do coti- diano. uma teoria não difere de uma hipótese - uma suposi- ção que ainda não foi comprovada. Uma teoria científica. por outro lado. é a síntese de um grande corpo de informa- ções que englobam hipóteses comprovadas « testadas sobre determinados aspectos do mundo natural. Os físicos, por exemplo, falam na teoria dos quarks dos núcleos atômicos, os químicos falam na teoria das ligações metálicas nos me- tais, e biólogos falam da teoria celular. As teorias científicas não são imutáveis. ao contrário, elas sofrem mudanças. Elas evoluem quando passam por es- tágios de redefinição e refinamento. Durante os cem últimos anos. por exemplo, a teoria atômica tem sido redefinida re- petidamente toda vez que se consegue uma nova evidência sobre o comportamento atômico. De maneira semelhante, os químicos têm redefinido suas visões da maneira como as moléculas se ligam, « os biólogos têm refinado a teoria ce- lutar. O aperfeiçoamento de teorias é uma força da ciência, não uma fraqueza. Muitas pessoas acham que é um sinal de fraqueza mudar suas opiniões. Cientistas competentes de- vem ser especialistas em alterar suas opiniões. Eles trocam de opinião, entretanto, somente quando deparam-se com só- lidas evidências experimentais ou quando uma hipótese concenuaimente mais simples força-os a adotar um novo ponto de vista. Mais importante que defender crenças, é me- lhorá-las, As melhores hipóteses são aquelas mais honestas em face da evidência experimental. Fora de suas profissões, os cientistas não são inerente- mente mais honestos ou éticos que 4 maioria das pessoas. “Porém o apelo estésico tem valor em ciência! Mais de um resultado ex perir mental na ciência moderma contradisse vma teoria acerta, que após imvestigo- ção adicional provos-se errada. Esto tem alimentado a Té dos cientistas em que a descrição cometa da natureza, no final das contas. envolve concisão de «x- pressão e economia de conceitos — uma combinação que merece ser chamada de beleza — Emisua formação, não é bastante estar atento a outras prossínas que tentar fit- sê-lo de bobo: mais importante é essar atento à própria tendência de enganar a 7 mestra. atos são dados a respeito do mundo * Teorias são interpretações des fatos Mas em suas profissões eles trabalham em um meio que dá alto valor à honestidade. A regra que norteia a ciência é a de que todas as hipóteses devem ser testáveis — devem ser pas- síveis, pelo menos em princípio. de serem negadas. É mais importante, na ciência, que exista um modo de provar que uma idéia está errada do que existir uma maneira de provar ser correta. Este é um dos principais fatores que distingue & ciência da não-ciência. À primeira vista, isso pode soar es- tranho, pois quando nos perguntamos sobre a maioria das coisas, nós nos preocupamos em encontrar maneiras de re- velar se elas são verdadeiras, As hipóteses científicas são di- ferentes. De Tato, se você deseja descobrir se uma hipótese é científica ou não, veja se existe um leste para comprovar que é errônca. Se não existir teste algum para provar sua fal- sidade, então a hipótese é não-ciemtífica, Albert Einstein pôs isso muito bem quando declarou que “nenhum número de experimentos pode provar que estou certo; um único expe- rimento pode provar que estou errado”. Considere a hipótese do biólogo Darwin de que a vida evolui de formas mais simples para mais complexas. Isso poderia ser negado se os paleontologistas descobrissem que formas de vida mais complexas surgiram antes de suas con- tapartidas mais simples. Einstemm criou a hipótese de que a luz é desviada pela gravidade. Isso poderia ser negado se à luz das estrelas que passa muito próximo ao Sol. e que pode ser vista durante um eclipse solar. não fosse desviada de sua trajetória normal. Como foi demonstrado, as formas de vida menos complexas precederam suas contrapartidas mais complexas, e a luz das estrelas desviou-se ao passar perto do Sol, o que sustenta as afirmativas. Se e quando uma hipóte- se ou alegação científica é confirmada, cla é encarada como útil e como sendo um degrau para conhecimento adicional. Considere a hipótese “o alinhamento dos planetas no céu determina a melhor ocasião para tomar decisões”. Mui- tas pessoas acreditam nela, mas tal hipótese é não-cientifi- ca, Não se pode provar que está errada, nem correta. Ela é uma especulação, Analogamente, à hipótese “existe vida in- teligente em outros planetas em algum lugar do universo” não é científica, Embora possa ser provada como correta, pela verificação por um único exemplo de vida inteligente em algum outro lugar do universo. não existe maneira de se provar que ela está errada se vida alguma for jamais encon- trada. Se procurássemos nas regiões mais longínquas do universo ao longo de eras e não encontrássemos vida. não 36 Fisica Conceitual arte e outra é a religião. Embora as raízes de todas as três re- meta à milhares de anos, as tradições científicas são relati- vamente recentes. Mais importante, os domínios da ciência. da arte e da religião são diferentes, embora elas com fre- qiiência se superponham. A ciência está principalmente en- gajada em descobrir e registrar fenômenos naturais, as artes dizem respeito à interpretação pessoal e à expressão criativa e a religião remete à origem, propósito e significado de tu- do, Verifique sua resposta Quem sabe com certeza? A pessoa B pode ter a perspicácia de um advogado, que pode sus- tentar vários pontos de vista e ainda assim estar incorreto. Não podemos ter certeza acerca do “outro rapaz”. O teste para cor- reção ou incorreção sugerido aqui não é um teste para os ou- tros, mas de você e para você. Ele pode auxiliar em seu desenvol- vimento pessoal. Quando você tenta articular as idéias de seus antagonistas, esteja preparado, como os cientistas, para alterar suas opiniões e descobrir evidências contrárias às suas próprias idéias — evidência que pode modificar seus pontos de vista, O crescimento intelectual com frequência chega dessa maneira. Ciência e arte são comparáveis. Na literatura encontra- mos o possível da experiência humana, Podemos aprender sobre emoções que vão da angústia ao amor, mesmo que não as tenhamos experimentado. As artes não necessaria- mente nos dão aquelas experiências, mas descrevem-nas pa- ra nós e sugerem o que pode ser retido para nós mesmos, Um conhecimento cientifico analogamente nos diz o que é possível na natureza. O conhecimento científico nos ajuda a prever as possibilidades na natureza, mesmo antes que elas tenham sido experimentadas, Ela nos fornece uma maneira de conectar as coisas, de enxergar relações entre elas e de dar sentido à miríade de eventos naturais ao nosso redor, A ciência alarga nossa perspectiva do ambiente natural do qual somos uma parte. Um conhecimento tanto de arte como de ciência forma um todo que afeta o modo como vemos o mundo e as decisões que tomamos a respeito dela e de nós mesmos, Uma pessoa realmente culta é versada, tanto em artes como em ciência. Ciência e religião também têm similaridades, mas são basicamente diferentes = principalmente porque seus domi- nios são diferentes: ciência diz respeito ao reino físico; reli- Religião é sobre o sentido do sobre à ordem do gião tem a ver com o reino espiritual, Posto simplesmente, a ciência pergunta como; a religião. por quê. As práticas da ciência e da religião também são diferentes. Enquanto os cientistas experimentam para descobrir os segredos da natu- reza, religiosos praticantes adoram Deus e trabalham para edificar a comunidade humana. Nestes aspectos, ciência é religião são tão diferentes como maçãs e laranjas, e real- mente não contradizem-se, Ciência e religião são dois cam- pos diferentes da atividade humana, ainda que complemen- tares, Quando mais tarde estudarmos a natureza da luz, neste livro. trataremos a luz primeiro como uma onda e depois co- mo uma partícula. Para uma pessoa que sabe um pouco de ciência, ondas e partículas são contraditórios; a luz pode ser apenas uma ou outra, e temos de escolher entre elas. Mas para uma pessoa esclarecida, ondas e partículas comple- mentam-se mutuamente e fornecem um entendimento mais profundo da luz. De modo similar, são principalmente as pessoa desinformadas ou mal-informadas sobre as nature- zas mais profundas da ciência e da religião que sentem que devem optar entre acreditar na religião e acreditar na ciên- cia. À menos que alguém tenha uma compreensão superfi- cial de uma ou de ambas, não existe contradição em ser re- lígioso e científico em seu modo de pensar. Muitas pessoas ficam preocupadas por não conhecerem respostas para questões religiosas e filosóficas. Algumas evitam a incerteza adotando acriticamente qualquer respos- ta confortadora. Um recado importante da ciência. entretan- to, É que a incerteza é aceitável, No capítulo treze. por exemplo, você aprenderá que não é possível conhecer com certeza e simultaneamente a posição e o momentum de um elétron em um átomo, Quanto mais você sabe sobre um, menos sabe sobre o outro. À incerteza é parte do processo científico. Está tudo bem em não saber as respostas para as questões fundamentais. Por que as maçãs são atraídas gravi- tacionalmente pela Terra? Por que os elétrons repelem-se mutuamente? Por que os imãs interagem com outros imãs? Por que a energia tem massa? Ao nível mais profundo, os cientistas não sabem as respostas para essas questões — pelo menos, não ainda. Em geral, os cientistas sentem-se confor- táveis em não saber. Sabemos um monte de coisas sobre on- de estamos, mas nada realmente sobre por que estamos. É normal não conhecer as respostas para tais questões religio- sas - O importante é manter a mente aberta e a coragem de continuar explorando. E ==] Ciência e Tecnologia A ciência e a tecnologia também diferem entre si. A ciência está interessada em reunir conhecimentos e organizá-los, A “Claro que isso não se aplica a certos fundamentalistas, Cristãos, Muçulmanos e outros, que constantemente afirmam que não sé pode ubraçar religião e ciên- cia. Pseudociência Capítulo | + Sobrea Ciência 37 NS tempos pré-científicos, qualquer tentativa de dominar a na- tureza significava forçá-la contra sua própria vontade. A natu- reza tinha que ser subjugada, geralmente com algum tipo de magia ou por meio do que estivesse acima da natureza — 0 sobrenatural. À ciência faz o oposto, e opera dentro das leis naturais, Os métodos científicos têm revelado confiança no sobrenatural — mas não intei- ramente. Os caminhos antigos persistem, com força total nas cul- tras primitivas, e sobrevivem em culturas tecnologicamente avan- çadas também, às vezes disfarçados de ciência. Isso é a falsa ciên- cia — pseudociência. O notável de uma pseudociência é a falta dos ingredientes-chave da evidência e de um teste para sua falsidade. No reino da pseudociência, ceticismo e testes para possível falsida- de são descartados ou categoricamente ignorados. Existem várias maneiras de enxergar relações de causa e efei- to no universo, O misticismo é uma visão, talvez apropriada para religião, mas não aplicável em ciência. A astrologia é um antigo sistema de crenças que supõe haver uma correspondência mística entre os indivíduos € o universo como um todo = que assuntos hu- manos são influenciados pelas posições e os movimentos dos pla- netas e outros corpos celestes, Esta visão não-científica pode ter grande atrativo. Não importa quão insignificante possamos sentir- nos às vezes, os astrólogos nos asseguram que estamos em íntima conexão com os mecanismos do cosmo, que foi criado para os hu- manos — particularmente para os humanos que pertencem à nossa própria tribo, comunidade ou grupo religioso. A astrologia como magia antiga é uma coisa, mas astrologia disfarçada de ciência é outra. Quando ela posa de ciência relacionada à astronomia, toma- se então pseudociência. Alguns astrólogos apresentam sua arte num disfarce científico. Quando usam informação astronômica atualizada e computadores que calculam os movimentos dos cor- pos celestes, estão operando no reino científico. Mas quando eles usam esses dados para forjar revelações astrológicas, adentram na emplumada pscudociência. A pseudociência, como a ciência, faz previsões. Um indivíduo que usa varinha de condão para fazer previsões — um rabdomante — faz adivinhações para localizar água no subsolo com altas taxas de sucesso — aproximadamente 100%, Sempre que o rabdomante rea- liza seu nitual e aponta para um lugar no solo, o escavador de poços está certo de encontrar água. A rabdomancia funciona. É claro, um rabdomante dificilmente pode errar, pois existe água a 100 metros da superficie em aproximadamente todo lugar da Terra, (O verda- deiro teste para um rabdomante seria apontar um lugar onde não se encontrasse água!) Um xamã que estuda as oscilações de um pêndulo suspenso sobre o abdômen de uma mulher grávida pode prever o sexo do fe- to com precisão de 50%. Isso significa que se ele usa sua mágica muitas vezes para muitos fetos, metade delas estarão certas é me- tade erradas — a previsibilidade de uma adivinhação comum, Em comparação, ao determinar o sexo de não nascidos por meios cien- tíficos. obtém-se uma taxa de 95% de acertos usando ecografia e de 100% usando amniocentese. O melhor que pode ser dito em favor dos xamãs é que a taxa de sucesso de 50% é um bocado melhor que a de astrólogos, leitores de mãos ou outros pseudocientistas que prevêem o futuro. Um exemplo de pseudociência mal-sucedida é a das máquinas multiplicadoras de energia. Dessas máquinas, que supostamente fornecem mais energia do que lhes é fomecido, nos dizem que “es- tão ainda nas pranchetas de projeto e precisam de verbas para seu desenvolvimento”. Elas são angariadas por charlatões que vendem ações a um público ignorante que sucumbe a promessas fantasio- sas de sucesso. Isso é refugo científico. Os pseudocientistas estão por todo lugar, geralmente bem-sucedidos em recrutar aprendizes por dinheiro ou trabalho, e podem parecer muito convincentes mesmo a pessoas aparentemente maduras. Nas livrarias, seus livros suplantam grandemente em número os livros sobre ciência. O vi- cio científico está prosperando. Nós, humanos, temos aprendido muito nos últimos quatro sé- culos, desde o início da ciência. Adquirir este conhecimento e su- perar a superstição foi alcançado através do enorme esforço huma- no é de cuidadosa experimentação. Deveríamos regozijarmo-nos com o que temos aprendido. Tivemos que percorrer um longo ca- minho para compreender a natureza e para liberar a nós mesmos da ignorância, e deveriamos estar orgulhosos disso. Não temos mais que morrer, sempre que uma doença infecciosa ataca, Não temos mais que viver com medo de demônios. Não mais derramamos chumbo derretido nas botas de mulheres acusadas de bruxaria, co- mo foi feito por cerca de três séculos durante a época medieval. Hoje não temos necessidade de fingir que a superstição não é nada mais do que superstição, ou que noções viciadas não são nada além de noções viciadas — seja atribuída a pretensos xamãs, chartatões de esquina ou pensadores vagos que escrevem livros de saúde re- cheados de promessas impossíveis. Ainda que exista razão para temer o que às pessoas daquela época combatiam, a geração seguinte se rende. A influência que as crenças mágicas e as superstições tinham sobre as pessoas custou séculos para ser superada. Ainda hoje a mesma magia e as mesmas superstições estão encantando um número crescente de pessoas. James Randi registra em seu livro “Flim-Flam!” que mais de 26.000 astrólogos praticantes nos Estados Unidos atendem mi- lhões de crentes crédulos. O escritor de ciência Martin Gardner re- gistra que a percentagem de americanos contemporâneos que acre- dita em astrologia e fenômenos ocultos é maior do que entre os Eu- ropeus medievais. Poucos jornais mantêm uma coluna científica diária, mas aproximadamente todos eles apresentam horóscopos diariamente. E há ainda os prósperos médiuns da televisão que conseguem partidários todo dia. Muitos crêem que a condição humana está regredindo por causa do desenvolvimento tecnológico. Mais provavelmente, po- rém, regrediremos porque a ciência e a tecnologia curvar-se-ão frente à irracionalidade, a superstições e à demagogia do passado. Preste atenção em seus arautos. A pseudociência é um gigantesco e lucrativo negócio. tecnologia leva os humanos a usarem aquele conhecimento com propósitos práticos, e fornece as ferramentas necessá- rias para que os cientistas avancem mais ainda em suas ex- plorações. A tecnologia é uma espada de dois gumes, que pode tanto ser útil como nociva, Por exemplo, temos a tecnologia para extrair combustíveis fósseis do solo e então queimá-los para produzir energia. A produção de energia a partir de 
