Einstein e o prêmio Nobel: Por que o efeito fotoelétrico e não a teoria da relatividade?

Há quem reconheça o físico Albert Einstein apenas pela sua teoria da relatividade geral, proposta em 1915, que quebrava paradigmas já consolidados da física newtoniana acerca da gravitação universal. 

Quem se aprofunda sobre tal dialética, provavelmente verá que a descoberta do cientista alemão foi de uma importância exorbitante, visto que as teorias do inglês Isaac Newton estavam consolidadas há séculos, e ninguém sequer as ousava questionar. 

Contudo, se engana quem pensa que essa foi a maior descoberta de Einstein, formalmente falando, que apesar de ter lhe dado um status de magnificência no mundo acadêmico, não lhe rendeu o prêmio Nobel de física. O trabalho que lhe glorificou tal feito foi o efeito fotoelétrico, que discorreremos posteriormente.

O contexto político e social em que Einstein se insere é primordial também para entendermos o porquê, provavelmente, do físico não ter tido tanto reconhecimento quando iniciou sua teoria da relatividade geral a ponto de levar o prêmio Nobel, como veremos mais adiante. 

Teoria da relatividade

A fim de situar os desavisados, antes de tudo, vamos descrever o conflito entre as teorias do físico alemão e as de Isaac Newton, e o porquê de Einstein ser o ponto de virada de um padrão científico consolidado há anos pela física clássica.

O modelo adotado por Newton propunha que os corpos eram atraídos por uma força de atração gravitacional. Ou seja, entre corpos, separados por certa distância, há uma força de atração. Logo, a física newtoniana postulara que essa seria a razão dos planetas orbitarem ao redor sol, por exemplo.

A dúvida em volta dessa teoria seria sobre a natureza de tal força de atração gravitacional. Nem o próprio Isaac Newton entendia qual seria o agente causador dela e nem se este seria material ou imaterial. Esta lacuna não foi preenchida por anos até chegarmos no século XX, com Albert Einstein.

Desse modo, Einstein revolucionou o entendimento do espaço e do tempo, considerando estes algo unívoco, o espaço-tempo. Ou seja, são as quatro dimensões (três de espaço e uma de tempo) formando um único "tecido", que se deforma de acordo com as ações dos corpos celestes nele envolvidos. 

Em suma, a gravidade para Einstein seria o efeito da curvatura ocasionada pelos planetas e outros corpos no espaço-tempo e não uma força como dizia Newton. Isso faria com que matéria e espaço fossem intrinsecamente relacionados, uma vez que a matéria curva o espaço, assim como o espaço define o movimento da matéria. 

Concluindo, o grande feito de Einstein residiu no fato de que a gravidade seria aceleração e a força envolvida nesse sentido seria a curvatura geométrica do espaço-tempo.

Contexto histórico

Tal feito não foi tão bem recebido pelo meio acadêmico, pois Einstein, de nacionalidade alemã, ao confrontar as ideias do britânico Isaac Newton, vivera no mesmo período da primeira Grande Guerra mundial. Portanto, com sua nação em conflito com as Potências Centrais (com participação da Grã-Bretanha), sua divergência com as ideias newtonianas eram recebidas com um teor mais político do que científico. 

Além de tudo isso, Einstein, de religião judaica, também viveu no cenário de uma Europa ainda antissemita, e essas são algumas possibilidades que o fizeram não ser recompensado com o devido reconhecimento que merecera.

Mas, em 1919, com o fim da Grande Guerra, Einstein conseguiu unir esforços e provar sua teoria, com experimento realizado aqui no Brasil inclusive, onde ocorrera um eclipse solar que possibilitaria a observação mais visível das estrelas no céu, tanto de manhã quanto pela noite, que acabaram por ratificar seus princípios. (Numa outra ocasião, escreverei mais detalhadamente sobre a "ajuda" do Brasil na teoria da relatividade)

Efeito fotoelétrico

E o seu estudo sobre o efeito fotoelétrico?

Um outro motivo, trazendo para o âmbito científico, que fez com que seu estudo posterior ao trabalho sobre a relatividade vencesse o Nobel seria a imperceptível, mas notória importância do efeito fotoelétrico.

Falamos com tanto saudosismo e prodigalidade acerca da teoria da relatividade geral que parece que nenhum outro experimento após esse seria capaz de igualar sua importância.

Mas, três anos depois, em 1921, Albert Einstein foi ponto central de mais uma proeza que mudaria a ciência, agora no mundo quântico. O físico, para explicar os efeitos de incidência de uma determinada quantidade de luz sobre elétrons ligados a uma placa de metal, utilizou-se de conceitos do cientista Max Planck (1858-1947), considerado pai da física quântica. 

Planck teorizava que a luz emitida por corpos negros é quantizada, e não poderia assumir qualquer valor, ou seja, assume valores inteiros (1,2,3,4...).

E = Energia no fóton
h = Constante de Planck
f = Frequência do fóton (Hz)

Antes de tudo isso, o efeito fotoelétrico já havia sido percebido por Heinrich Hertz (1857-1894), mas apenas solucionado anos depois por Einstein.

Em resumo, Hertz percebeu que incidindo luz ultravioleta numa placa de metal, ocasionava uma produção alta de faíscas.

Para contextualizar, a física clássica teorizava que a luz é contínua (em oposição a Planck), e possuía todas as características de uma onda. E nesse caso, sobre o efeito fotoelétrico de Hertz, se postularia que a luz incidia fótons de maneira contínua na superfície metálica, fazendo com que os elétrons absorvesse aos poucos os fótons, gerando uma corrente elétrica e excitando tal elétron, desprendendo-o da da placa metálica.

Mas na prática, não seria a maior frequência de luz que faria com que elétrons se desprendessem. A física clássica não alcançava tal explicação por meio de seus padrões. 

Foi necessário que Einstein, munido das ideias de Max Planck, considerasse o caráter corpuscular da luz, e não ondulatório, postulando que os fótons só são absorvidos caso tenham energia necessária para arrancar os elétrons, e não emitindo fótons de maneira contínua como era definido.

Em outras palavras, a luz teria energia quantizada. Ou seja, os fótons eram pequenos pacotes compostos por energia, e caso essa energia fosse superior à energia de ligação do elétron com a superfície metálica, tal elétron absorveria o fóton e se desprenderia do metal.

E = Energia cinética no elétron
Φ = Energia cinética de manutenção do elétron no metal

Com tudo isso em mente, você provavelmente deve se perguntar por que isso seria mais importante do que a teoria da relatividade. Mas na verdade, temos um fator relativo nessa discussão.

Conclusão 

Alguns consideram que Einstein não venceu o Nobel com sua teoria da relatividade geral por questões pessoais, mesmo que a explicação do comitê para preterir seu estudo foi de que a relatividade não seria física, e sim metafísica.

O próprio Einstein, em sua tão característica modéstia, chegou a dizer que sua ideia de relatividade especial não foi genial, e que seria descoberta mais cedo ou mais tarde por outrem. Talvez, os cientistas do comitê do prêmio Nobel compartilhassem de tal ideia a respeito da relatividade geral.

Já outros, preferem levar em conta a profundidade do efeito fotoelétrico, que embora simples, proporcionou o entendimento e o aprofundamento naquilo que viria a se tornar um dos assuntos mais relevantes da ciência nos anos seguintes: a mecânica quântica.

Einstein, usando uma grandeza física do mundo quântico, a constante de Planck,  foi preponderante para reconhecermos a magnitude da física quântica. Por isso há quem entenda que o efeito fotoelétrico foi sim, a maior descoberta de Albert Einstein.

Portanto, deve-se entender que o século XX, marcado por inúmeras anomalias políticas e sociais, sem dúvidas influenciou as concepções acerca de Einstein, mas tais influências tiveram que se render diante de mais uma genialidade do físico poucos anos depois com o efeito fotoelétrico.

Discussões à parte, o físico se transformou num esplêndido revolucionário da ciência. Com Einstein, conseguimos explicar coisas que o mundo clássico jamais entenderia. Ele pensava de uma maneira particularmente distinta de nós, "meros mortais". Não a toa, proferira tal sentença:

"A imaginação é mais importante que o conhecimento" - Albert Einstein

Há controvérsias quanto à essa afirmação, inclusive de minha parte, mas é incontestável que ela possui algum fundamento, posto que foi através de suas imaginações que Einstein concebeu a teoria da relatividade.

Indicações:

Young, Hugh D.; Freedman, Roger A.. Física IV - Ótica e física moderna. 12º edição

R. Gazzinelli. Teoria da relatividade especial. 1ª edição