As forças e o equilíbrio na natureza

Belmiro Wolski

Professor do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (UTFPR)

Desde vários séculos antes de Cristo, os primeiros filósofos já se preocupavam em entender o universo e a essência da vida. Graças a eles, o conhecimento evoluiu a níveis nunca antes imaginados. Entretanto, não obstante os grandes avanços científicos atuais, muitas perguntas continuam sem resposta. Conhecemos muito sobre o universo. E quanto mais o conhecemos, mais sentimos que muito ainda falta a ser desvendado. O objetivo deste trabalho é fornecer uma visão integrada dos diversos fenômenos sob uma ótica diferenciada, levando-nos a entender o cosmo como uma entidade única, cujas leis conspiram para a estabilidade dele próprio, de maneira harmoniosa e elegante.

Todas as leis que regem nosso universo, magistralmente identificadas pelas mais brilhantes mentes que já habitaram este planeta, mostram que a maioria dos fenômenos está de alguma forma interligada. A história tem nos mostrado que, na medida em que a ciência avança, os ramos do conhecimento vão ligando seus tentáculos. Foi assim com a Eletricidade e Magnetismo, quando Oersted assentou a pedra fundamental e Maxwell cortou a fita, inaugurando o Eletromagnetismo. Foi assim com o Eletromagnetismo e a força nuclear fraca, sendo entendidos como fenômenos de mesma natureza. A posterior junção dessas duas com a força forte por meio do Modelo Padrão mostra o tamanho da intrincada rede de conexões de forças. A despeito da relutância da gravidade em revelar seus segredos, não podemos esperar nada diferente do que sua interconexão com as demais forças, mesmo que débil.

É bem verdade que os modelos e as teorias de que dispomos hoje para explicar o universo sejam incompletas. A Mecânica Quântica e a Relatividade Geral não se entendem em seus limites, talvez pela teimosia da gravidade em rejeitar uma versão quântica que a explique. A própria Mecânica Quântica e suas bizarrices, do ponto de vista humano, nosso, pode carecer de alguma dimensão adicional para coaduná-la, quiçá, ao mundo das cordas. Essas, por sua vez, ao ganharem fôlego extra da nada econômica supersimetria e se transformarem nas supercordas, esperam por talentos que possam incrementar ou até mesmo reinventar a Matemática a ponto de resolver as suas complexas equações de campo. Não obstante, mesmo em caso de triunfo dessa teoria, não há a menor esperança de que um dia as cordas ou supercordas possam acenar para as câmeras em um acelerador de partículas, o que é para muitos um desalento.

Independente dos modelos, teorias e suas equações que empregamos para descrever o micro e o macrocosmo, o universo segue seu destino, incólume, rumo à gelada desagregação total ou, quem sabe, a um recomeço fervoroso. Seus segredos mais íntimos permanecem guardados, e muito provavelmente nunca o entenderemos em sua plenitude. Até parece que o universo está a debochar de uma parte sua que adquiriu autoconsciência numa fração cósmica de tempo e que acha que pode desvendar todos os seus mistérios.

É certo, porém, que o universo, em todas as suas instâncias, possui algumas peculiaridades que parecem ser necessárias à sua estabilidade. Chamamos de leis às maneiras pelas quais os fenômenos sempre ocorrem e que podem ser empregadas para prever o estado futuro de um sistema. Uma característica marcante de todos os processos é a tendência de todos os sistemas físicos tenderem para um estado de menor energia possível. Desde o átomo até o universo como um todo. E a responsável por essa tarefa é uma entidade denominada força. Logo, a força surge toda vez que dois sistemas estiverem em desequilíbrio energético, como uma forma de restabelecer o equilíbrio. Não obstante, o universo parece não gostar que esse restabelecimento do equilíbrio ocorra de forma abrupta. Há sempre um mecanismo envolvido que impede a recomposição instantânea do equilíbrio. Por exemplo, a aglutinação de matéria promovida pela gravidade encontra sua contrapartida na força devido à inércia. Muito embora a gravidade e a inércia sejam forças de mesma essência, muito bem descritas no princípio da equivalência, é notório que nesse caso a inércia funciona como um freio, mediando o processo como um todo.

Em corpos carregados eletricamente, a inércia também retarda o processo de equalização, embora em menor grau. No caso de corpos carregados, a ação de forças é ainda mais instigante. Por exemplo, um corpo carregado negativamente e outro corpo neutro. É nítido que há desequilíbrio energético entre eles e ocorre, portanto, uma força de atração. Se essa força for capaz de levar os dois corpos ao contato, então cargas negativas passarão do corpo carregado para o corpo neutro até que o equilíbrio seja atingido. O interessante nesse caso é que esse equilíbrio não significa necessariamente o estado de menor energia possível, pois agora ambos os corpos estão carregados. O estado de menor energia é atingido quando eles estiverem na maior distância possível. É aí que entra em cena a força repulsiva coulombiana, afastando os dois corpos. No decaimento radioativo, esse processo é mediado pela força fraca, que se encarrega de expelir do núcleo os diferentes tipos de radiação – alfa, beta e gama.

Da mesma forma que tenta impedir que um sistema atinja rapidamente um estado de menor energia, o universo também tenta evitar o crescimento rápido de energia numa dada região do espaço. Mesmo que esses processos não envolvam força. A lei de Lenz é um exemplo disso. Quando um campo magnético está aumentando, a reação da natureza se faz pela criação de um campo elétrico que tenda a produzir um campo magnético em sentido contrário.  Se, ao contrário, o campo magnético estiver diminuindo, então o campo elétrico será criado de modo a produzir um campo magnético no mesmo sentido. Tudo isso para tentar impedir uma rápida variação de energia naquela região.

Mais interessante ainda é o fato de que, a depender do tipo de variação do campo magnético, o campo elétrico criado pode também ser variável. Isso caracteriza uma variação local de energia que precisa ser compensada. Isso é feito pela criação de outro campo magnético que dá também origem a outro campo elétrico e assim por diante, originando o que chamamos de onda eletromagnética, capaz de transportar a energia inicial para os confins do espaço. Ou seja, a própria onda eletromagnética é um mecanismo de preservação do equilíbrio.

Do exposto, concluímos que forças são mecanismos da natureza empregados para levar os sistemas ao estado de energia mínima. Concluímos também que há restrição para a rapidez com que a energia varia em uma região. Esses princípios, junto com outros não abordados neste texto, são essenciais para a estabilidade do universo.