O Livro da Ciência (Notas do Livro)
Introdução
A ciência é uma busca contínua pela verdade - uma luta perpétua para descobrir como o universo funciona desde as primeiras civilizações. Movida pela curiosidade humana, ela se fia no raciocínio, na observação e na experimentação. O mais conhecido dos antigos filósofos gregos, Aristóteles, escreveu amplamente sobre assuntos científicos e formou a base para grande parte do trabalho que se seguiu. Ele era um bom observador da natureza, mas confiava inteiramente no pensamento e argumento, sem fazer experimentações. Como resultado, interpretou muitas coisas equivocadamente. Afirmava, por exemplo, que objetos grandes caem mais depressa que os pequenos e que, se um objeto tivesse o dobro do peso de outro, cairia duas vezes mais rápido. Embora isso esteja errado, ninguém duvidou até que o astrônomo italiano Galileu Galilei contradisse a ideia, em 1590. Enquanto hoje parece óbvio que um bom cientista deva se basear em prova empírica, isso nem sempre foi evidente.
O método científico
Um sistema lógico para o processo científico foi primeiro apresentado pelo filósofo inglês Francis Bacon, no início do século XVII. Atuando em cima do trabalho do cientista árabe Alhazen, de 600 anos antes, e logo reforçado pelo filósofo francês Renés Descartes, o método científico de Bacon exige que os cientistas façam observações, formem uma teoria para explicar o que se passa e, em seguida, realizem um teste para verificar se a teoria funciona. Se parecer verdadeira, os resultados podem ser enviados para revisão dos colegas, quando pessoas do mesmo campo ou campo afim são convidadas a encontrar falhas e, assim, prová-la falsa, ou repetir a experimentação assegurando a precisão dos resultados.
Elaborar uma hipótese ou previsão testável é sempre útil. Ao observar o cometa de 1682, o astrônomo inglês Edmond Halley percebeu que ele era semelhante aos cometas relatados em 1531 e 1607, e afirmava que os três eram o mesmo objeto em órbita ao redor do Sol. Ele previu seu regresso, em 1758, e estava certo, embora por pouco - foi avistado em 25 de dezembro. Hoje o cometa é conhecido como Halley. Como os astrônomos são raramente capazes de realizar experimentações, a prova só pode vir pela observação.
As experimentações podem testar uma teoria ou ser puramente especulativa.
Um experimento é ainda mais atrativo se o cientista, ao propor uma nova teoria, puder fazer uma previsão de seu desfecho. Se a experiência resultar no previsto, então o cientista tem a prova como respaldo. Ainda assim, a ciência jamais pode provar que uma teoria esteja correta; como frisou Karl Popper, no século XX, filosofando sobre a ciência, ela pode apenas desmentir coisas. Cada experimentação que resulta na resposta prevista é uma prova de embasamento, mas um teste fracassado pode derrubar uma teoria.
Ao longo dos séculos, conceitos há muito mantidos, como a geocentricidade do universo, os quatro líquidos orgânicos, o flogisto de elemento fogo e o misterioso meio chamado éter foram todos desmentidos e substituídos por novas teorias. Estas, no entanto, são apenas teorias e ainda podem ser refutadas, apesar de, em muitos casos, isso ser improvável, dada a prova que as respalda.
"Todas as verdades são fáceis de entender, uma vez que sejam descobertas; a questão é descobri-las." (Galileu Galilei)
Progressão de ideias
A ciência raramente avança em passos lógicos e simples. Descobertas podem ser feitas, simultaneamente, por cientistas trabalhando de forma independente, porém quase todos os avanços dependem de trabalho e teorias anteriores.
Os primeiros cientistas
Os primeiros filósofos com uma visão científica atuaram na Grécia antiga, durante os séculos VI e V a.C.; Pitágoras montou uma escola matemática, e Xenófanes, após encontrar conchas do mar numa montanha, conclui que, um dia, a Terra inteira teria sido coberta pelo mar.
Na Sicília, no século IV a.C., Empédocles afirmou que terra, ar, fogo e água são "as raízes quádruplas de tudo".
"Se quiser buscar realmente a verdade,é preciso que pelo menos uma vez na vida você duvide, o máximo que puder, de todas as coisas." (René Descartes)
Nascimento da ciência moderna
Como o monopólio da Igreja sobre a verdade científica começou a enfraquecer no mundo ocidental, o ano de 1453 viu a publicação de dois livros inovadores. O anatomista belga Andreas Vesalius produziu De humani corporis fabrica, que descrevia suas dissecações de cadáveres humanos com ilustrações extraordinárias. No mesmo ano, o físico polonês Nicolau Copérnico publicou Das revoluções das estrelas celestes, que afirmava firmemente que o Sol é o centro do universo derrubando o modelo da Terra centralizado, calculado por Ptolomeu de Alexandria um milênio antes.
Incerteza e infinito
Na virada do século XX, um jovem alemão chamado Albert Einstein propôs sua teoria de relatividade, sacudindo a física clássica e acabando com a ideia de tempo e espaço absolutos... Novos modelos do átomo foram propostos; a luz foi mostrada atuando tanto como partícula quanto em onda; e outro alemão, Werner Heisenberg, demonstrou que o universo era incerto.
"A realidade é meramente uma ilusão, apesar de muito persistente."(Albert Einstein)
No entanto, o mais impressionante no último século foi como os avanços tecnológicos possibilitaram o progresso da ciência a uma velocidade sem precedentes, com ideias saltando à frente com precisão cada vez maior. Aceleradores de partículas ainda mais potentes revelaram novas unidades básicas de matéria. Telescópios mais poderosos mostraram que o universo está em expansão iniciada com o Big Bang. A ideia de buracos negros começou a se enraizar...
Segredos da vida
Na biologia, os cromossomos foram expostos como base da hereditariedade, e foi decodificada a estrutura química do DNA. Apenas 40 anos depois isso levou ao projeto do genoma humano, tarefa de perspectiva aparentemente assustadora que, auxiliada pela computação, assumiu um ritmo de avanço cada vez mais acelerado. Hoje a sequência de DNA é um procedimento laboratorial quase rotineiro, a terapia genética passou de esperança a realidade, e o primeiro manífero foi clonado.
Enquanto os cientistas atuais evoluem nessas e outras realizações, prosseguiu a busca inexorável pela verdade. Parece provável que sempre haverá mais perguntas do que respostas, mas as descobertas futuras certamente continuarão a impressionar.
O Começo da Ciência (600 a.C.-1400 d.C.)
Medindo a Circunferência da Terra [Eratóstenes (276-194 a.C.)]
Foi em Alexandria que Eratóstenes ouviu um relato de que na cidade de Swenet, sul de Alexandria, o Sol passou diretamente acima, no verão, durante o solstício (o dia mais longo do ano, quando o Sol se levanta ao ponto mais alto do céu). Pressupondo que o Sol estivesse tão distante que seus raios fossem quase paralelos, uns aos outros, ao refletirem a Terra, ele usou uma haste vertical ou um "gnômon" para projetar a sombra do Sol no mesmo instante, em Alexandria.
Ele concluiu que o Sol estava a 7,2º ao sul do zênite - que é 1/50 da circunferência de um círculo. Assim, pensou ele, a separação das duas cidades, ao longo de um meridiano norte-sul, tem de ser 1/50 da circunferência da Terra. Isso permitiu que ele calculasse o tamanho de nosso planeta em 230.000 stadias, ou 39.690 km - um erro de menos de 2%.
[Gnômon é a parte do relógio solar que possibilita a projeção da sombra. Relógio solar (de sol) é um instrumento que mede a passagem do tempo pela observação da posição do Sol.]
Um Objeto flutuante Desloca seu Próprio Volume em Líquido [Arquimedes (287-212 a.C.)]
Hiero II, rei da Sicília, pede para Arquimedes examinar a nova coroa de ouro, pois desconfiava que o ourives houvesse substituído parte do ouro por prata.
Revolução Científica (1400-1700)
Introdução
Durante séculos, a visão da Igreja Católica quanto ao universo foi baseada na ideia de Aristóteles de que a Terra estava no centro da órbita de todos os corpos celestes. Em 1532, Copérnico concluiu seu modelo herético do universo que tinha o Sol como centro. Ciente da heresia, ele foi cauteloso e afirmou que isso era apenas um modelo matemático e esperou até perto de sua morte para publicar, mas o modelo de Copérnico rapidamente ganhou muitos defensores. O astrólogo alemão Johannes Kepler refinou a teoria de Copérnico usando observações de seu mentor dinamarquês Tycho Brahe e calculou que as órbitas de Marte e, por consequência, os outros planetas eram elipses. Telescópios mais modernos permitiram que o polímata Galileu Galilei identificasse quatro luas em Júpiter, em 1610. O novo poder explicativo da cosmologia se tornava inegável.
Galileu também demonstrou o poder da experimentação científica, investigando a física de objetos em queda e projetando o pêndulo como um eficaz medidor de tempo, que o holandês Christiaan Huygens usou para construir o primeiro relógio com pêndulo, em 1657. O filósofo inglês Francis Bacon escreveu dois livros expondo suas ideias para um método científico, e foi desenvolvido o princípio fundamental teórico para a ciência moderna, baseado em experimentos, observação e medições.
Novas descobertas não tardaram. Robert Boyle usou uma bomba de ar para investigar as propriedades do ar...
Micromundos. Ao longo do século XVII, o desenvolvimento da tecnologia conduziu a descoberta científica em menor escala. No início dos anos 1600, os fabricantes holandeses de óculos desenvolveram os primeiros microscópios, e mais tarde, naquele século, Robert Hooke construiu o seu próprio.
Análise matemática. Introduzindo o Iluminismo essas descobertas abriram caminho para as modernas disciplinas científicas de astronomia, química, geologia, física e biologia. A coroação de realizações do século veio com o estudo de Newton Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, expondo suas leis de movimento e gravidade. Por mais de dois séculos, a física newtoniana permaneceria como a melhor discrição do mundo físico e, junto com as técnicas analíticas de cálculo, desenvolvidas independentemente por Newton e Gottfried Wilhelm Leibniz, seria uma ferramenta poderosa para futuros estudos científicos.
O Sol está no Centro de Tudo [Nicolau Copérnico (1473-1543)]
O pensamento inicial do Ocidente era moldado por uma ideia de universo que colocava a Terra no centro de tudo. Nicolau Copérnico muda o foco e coloca o Sol no centro.
A Órbita de todo Planeta é uma Elipse [Johannes Kepler (1571-1630)]
Embora o trabalho de Nicolau Copérnico, sobre as órbitas celestes, publicado em 1543, tinha sido convincente para um modelo universal heliocêntrico (centrado no Sol) seu sistema continha problemas relevantes. Sem conseguir se libertar das ideias antigas de que os corpos celestes eram fixados em esferas cristalinas, Copérnico afirmara que os planetas orbitavam o Sol em traçados circulares perfeitos e foi forçado a introduzir complexidades em seu modelo, para esclarecer suas irregularidades.
Para diminuir essas complexidades, Johannes Kepler raciocina em termos da órbita elíptica.
As leis de Kepler afirmam que os planetas seguem órbitas elípticas tendo o Sol como um dos dois focos da elipse. Em qualquer tempo (t), uma linha unindo os planetas ao Sol percorre áreas (A) iguais na elipse.
Um Objeto em Queda Acelera Uniformemente [Galileu Galilei (1564-1642)]
"Conte o que pode ser contado, meça o que é possível medir, e o que não puder ser medido, torne mensurável." Galileu Galilei
Por 2 mil anos, poucas pessoas desafiaram a afirmação de Aristóteles quanto a uma força externa manter o movimento das coisas e que objetos pesados caem mais depressa que os leves. Somente no século XVII o astrônomo e matemático Galileu Galilei insiste que as ideias tinham de ser testadas. Ele elaborou experimentações para testar como e por que os objetos se movem e param, e foi o primeiro a decifrar o princípio da inércia — que os objetos resistem a uma mudança no movimento e precisam de força para iniciar o movimento, acelerar ou desacelerar. Ao cronometrar a queda dos objetos, Galileu mostrou que a velocidade de queda é a mesma para todos os objetos, percebendo o papel do atrito na desaceleração.
Galileu demonstrou que a velocidade que uma bola atinge, ao chegar à base de uma rampa, depende apenas da altura do ponto de partida, não do grau de inclinação da rampa. Aqui, as bolas soltas nos pontos A e B chegarão à base da rampa à mesma velocidade.
Argumentando, Não; Experimentando [Francis Bacon (1561-1626)]
O filósofo, estadista e cientista inglês Francis Bacon não foi o primeiro a realizar experimentos — Alhazen e outros cientistas os conduziram 600 anos antes —, mas foi o primeiro a explicar os métodos de raciocínio induzido e apresentar o método científico. Ele também via a ciência como um "salto de invenções que podem superar e, até certo ponto, reduzir nossas necessidades e misérias".
"Só se pode saber se algo será descoberto pela experimentação, não pelo argumento." Francis Bacon
A Luz é uma Partícula ou uma Onda? [Christiaan Huygens (1629-1695)]
No século XVII, Isaac Newton e o astrônomo holandês Christiaan Huygens analisaram a verdadeira natureza da luz e chegaram a conclusões muito diferentes. O problema que enfrentavam era que qualquer teoria sobre a natureza da luz tinha de explicar reflexo, refração, difração e cor. Refração é a curva da luz quando esta passa de uma substância para outra e é o motivo para que as lentes possam focar a luz. Difração é a difusão da luz quando passa por um nicho bem estreito.
A Gravidade Afeta Tudo no Universo [Isaac Newton (1642-1727)]
"A natureza e suas leis se esconderam na noite escura; Deus disse "Que venha Newton" e tudo virou luz pura." Alexander Pope
"Para mim, sou apenas uma criança brincando na praia, enquanto vastos oceanos de verdade repousam ocultos à minha frente." Isaac Newton
À época em que Isaac Newton nasceu, o modelo heliocêntrico do universo, no qual a Terra e outros planetas orbitavam o Sol, era a explicação aceita para os movimentos observados de Sol, Lua e planetas. Esse modelo não era novo, mas tinha voltado à proeminência quando Nicolau Copérnico publicou suas ideias ao final da vida, em 1543. No modelo de Copérnico, a Lua e cada um dos planetas giram ao redor de sua própria esfera cristalina, em volta do Sol, com uma esfera externa segurando os astros "fixos". Esse modelo foi suplantado quando Johannes Kepler publicou suas leis de movimento planetário, em 1609. Kepler dispensou as esferas cristalinas de Copérnico e mostrou que as órbitas dos planetas eram elipses. Também descreveu como a velocidade de um planeta muda com seu deslocamento.
O que faltava em todos esses modelos do universo era uma explicação do motivo para que os planetas se movessem da forma como fazem. Foi aí que Newton entrou. Ele percebeu que a força que puxava uma maçã para o centro da Terra era a mesma que mantinha os planetas em órbita ao redor do Sol e demonstrou, matematicamente, como essa força mudava com a distância. A matemática que ele usava envolvia as três Leis de Movimento de Newton e sua Lei Universal de Gravidade.
A Lei da Gravidade de Newton produz a equação abaixo, que mostra como a força produzida depende da massa de dois objetos e o quadrado da distância entre eles.
Expandindo Horizontes (1700-1800)
Introdução
Ao final do século XVII, Isaac Newton instituía as leis de movimento e gravidade, tornando a ciência mais precisa e matemática do que jamais fora. Cientistas de vários campos identificaram os princípios intrínsecos regendo o universo, e os diversos ramos da pesquisa científica ficaram cada vez mais especializados.
A Natureza não Avança a Passos Largos [Carl Lineu (1707-1778)]
Lineu estudou medicina e botânica nas Universidades de Lund e Uppsala, e recebeu o diploma de medicina na Holanda, em 1735. Mais tarde, naquele ano, publicou um livreto de 12 páginas intitulado Systema Naturae, que descrevia um sistema de classificação para organismos vivos.
Na Natureza Nada se Cria, Nada se Perde, Tudo se Transforma [Antoine Lavoisier (1743-1794)]
O químico francês Antoine Lavoisier concedeu um novo nível de precisão à ciência dando o nome do oxigênio e quantificando seu papel na combustão. Ao medir a massa nas reações químicas que ocorrem durante a combustão, ele demonstrou a conservação da massa — a massa total de todas as substâncias participantes é igual à massa total de todos os seus produtos.
A sua descoberta derruba a teoria de um elemento de fogo chamado flogisto. Ao longo do século passado, os cientistas acharam que as substâncias inflamáveis continham flogisto e os liberavam quando queimavam. A teoria explicava por que substâncias como madeira perdiam massa ao queimar, mas não explicava por que outras, como magnésio, ganhavam massa na queima. As medições meticulosas de Lavoisier mostraram que o oxigênio era a chave, em um processo durante o qual nada era acrescentado ou perdido, mas tudo transformado.
Descobrindo Novos Planetas [William Herschel (1738-1822)]
Nascido em Hannover, Alemanha, Frederick William Herschel emigrou para a Grã-Bretanha aos 19 anos, para seguir uma carreira musical. Seus estudos de harmonia e matemática levaram-no a um interesse em ótica e astronomia, e ele passou a montar seus próprios telescópios.
Acionando a Corrente Elétrica [Alessandro Volta (1745-1827)]
"A linguagem do experimento é mais competente do que qualquer argumento: fatos podem destruir nosso raciocínio (argumento lógico) — mas não vice-versa." Alessandro Volta
A família esperava que se tornasse padre. Em vez disso ele passou a se interessar por eletricidade estática e, em 1775, fez um dispositivo aperfeiçoado para gerá-la, que chamou de "electrophorus". Descobriu o metânio na atmosfera, no lago Maggiore em 1776, e investigou sua combustão através do novo método de ignição com a centelha elétrica dentro de um recipiente de vidro.
Um Século de Progresso (1800-1900)
Introdução
A invenção da bateria elétrica, em 1799, abriu novos campos de pesquisa científica. Na Dinamarca, Hans Christian Orsted acidentalmente descobriu uma ligação entre a eletricidade e o magnetismo. Na Royal Institution de Londres, Michael Faraday imaginou o formato de campos magnéticos e inventou o primeiro motor elétrico do mundo. Na Escócia, James Clerk Maxwell aproveitou as ideias de Faraday e decifrou a complexa matemática do eletromagnetismo.
Experimentos Podem ser Repetidos com Grande Facilidade quando o Sol Brilha [Thomas Young (1773-1829)]
Aos 13 anos ele já lia cinco línguas fluentemente — e, quando adulto, fez a primeira tradução moderna dos hieróglifos egípcios.
Depois da escola de Medicina, na Escócia, Young se estabeleceu como médico em Londres em 1799, mas era um verdadeiro polímata, que, nas horas vagas, conduzia pesquisas que variavam de teoria musical a linguística. No entanto, ele é mais famoso por seu trabalho com a luz. Além de estabelecer o princípio da interferência da luz, elaborou a primeira teoria moderna da visão colorida, argumentando que várias cores como proporções variadas das três principais: azul, amarelo e verde.
Averiguando o Peso Relativo da Partículas Finais [John Dalton (1766-1844)]
John Dalton, meteorologista inglês, através de seu estudo do clima viu que cada elemento era feito inteiramente de seus próprios átomos, únicos e idênticos, e é esse átomo especial que distingue e define um elemento. Ao desenvolver a teoria atômica dos elementos, Dalton estabeleceu a base da química.
Todo Composto Químico tem duas Partes [Jöns Jakob Berzelius (1779-1848)]
"O hábito de uma opinião geralmente leva à convicção absoluta de sua verdade e nos torna incapazes de aceitar as provas contra ela." Jöns Jakob Berzelius
Pela luz norteadora de uma geração de químicos inspirados na pilha criada por Alessandro Volta, o sueco Jöns Jakob Berzelius conduziu uma série de experimentos analisando o efeito da eletricidade em elementos químicos. Ele desenvolveu uma teoria chamada dualismo eletroquímico, publicada em 1819, que propunha que os compostos são criados pela junção de elementos em corpos elétricos opostos.
Um Dia, o Senhor Poderá Taxá-lo [Michael Faraday (1791-1867)]
A descoberta do cientista britânico Michael Faraday, dos princípios tanto do motor elétrico quando do gerador elétrico, abriu caminho para a revolução elétrica que viria a transformar o mundo moderno, trazendo tudo, desde a lâmpada até as telecomunicações. O próprio Faraday previu o valor de suas descobertas — e o lucro em taxas que poderiam render ao governo.
O Calor Penetra todas as Substâncias do Universo [Joseph Fourier (1777-1831)]
"A matemática compara os mais diversos fenômenos e descobre as analogias secretas que os une." Joseph Fourier
Hoje, uma das leis mais fundamentais da física é que a energia não é criada nem destruída, só muda de forma. O matemático francês Joseph Fourier foi pioneiro no estudo do calor e de como ele se desloca de locais aquecidos para locais frescos.
A Natureza Pode Ser Representada como um Imenso Todo [Alexander von Humboldt (1769-1859)]
O estudo do inter-relacionamento do mundo animado e o inanimado, conhecido como ecologia, só se tornou assunto de investigação científica rigorosa e metódica ao longo dos últimos 150 anos. O termo "ecologia" foi cunhado em 1866 pelo biólogo alemão Ernst Haeckel e é derivado das palavras gregas oikos, que significa casa, habitação, e logos, que significa estudo ou discurso. Mas é um polímata alemão anterior, chamado Alexander von Humboldt, que é considerado o pioneiro do pensamento ecológico moderno.
A Luz se Desloca mais Lentamente na Água do que no Ar [Léon Foucault (1819-1868)]
Nascido em Paris, Léon Foucaut foi primordialmente educado em casa, antes de ingressar na escola de medicina. Como não suportava ver sangue, logo desistiu dos estudos, tornando-se assistente do bacteriologista Alfred Donné, onde inventou um meio de tirar fotografias através de um microscópio. Posteriormente, ele e Fizeau tiraram a primeira fotografia registrada do Sol. Além de ser conhecido por medir a velocidade da luz, sabe-se que Foucault também forneceu provas experimentais da rotação da Terra, usando um pêndulo em 1851 e, mais tarde, um giroscópio.
Intitulei esse Princípio de Seleção Natural [Charles Darwin (1809-1882)]
"A seleção natural é o ... princípio pelo qual uma ligeira variação (ou um traço) é preservada, se for útil." Charles Darwin
Darwin afirma que as espécies não são imutáveis. Elas mudam, ou evoluem, e o principal mecanismo para essa mudança é a seleção natural.
Omne Vivum ex Vivo — Toda Vida Vem da Vida [Louis Pasteur (1822-1895)]
"No campo da experimentação, a probabilidade favorece apenas a mente preparada." Louis Pasteur
A biologia moderna ensina que organismos vivos só podem se originar de outros organismos vivos, através de um processo de reprodução. Isso talvez seja evidente hoje, mas quando os princípios básicos da biologia estavam no início muitos cientistas aderiam a um conceito chamado "abiogênese" — a ideia de que a vida poderia espontaneamente gerar a si mesma.
HART-DAVIS, Adam... [et al.]. O Livro da Ciência. radução de Alice Klesck. São Paulo: Globo Livros, 2014.