As leis da física que regem o universo, explicadas

As leis da física que regem o universo, sem fórmulas: as quatro forças, o que se conserva, Newton, Einstein e o que ainda ninguém sabe explicar.

As leis da física que regem o universo cabem em poucas ideias: quatro forças fundamentais, algumas grandezas que nunca se perdem e duas grandes teorias sobre o movimento e a gravidade. Este guia percorre-as sem fórmulas, com um exemplo do dia a dia para cada uma, e termina no que ainda está por explicar.

Quais são as quatro forças fundamentais da natureza?

São a gravidade, o eletromagnetismo, a força nuclear forte e a força nuclear fraca. O CERN, o laboratório europeu de física de partículas, resume assim: há quatro forças fundamentais em ação no universo, e cada uma tem o seu alcance e a sua intensidade.

Quatro linhas, uma por força: gravidade, que segura a Lua; eletromagnetismo, que une os átomos; força forte, que segura o núcleo; força fraca, que muda neutrões em protões — As quatro interações fundamentais, com um exemplo cada. Fonte: CERN e HyperPhysics

Gravidade. É a mais fraca das quatro, mas tem alcance infinito, segundo o CERN. É ela que faz cair uma maçã, que mantém a Lua à volta da Terra e a Terra à volta do Sol.
Eletromagnetismo. Também tem alcance infinito e é muitíssimo mais forte do que a gravidade. Segura os átomos e as moléculas, e por isso está por trás da química, da eletricidade e da luz. Quando a mão pousa na mesa e não a atravessa, é o eletromagnetismo entre os átomos da pele e os da madeira. A luz é uma onda eletromagnética com uma frequência bem definida; o que a física entende por frequência explica-se no guia «Frequência vibracional»: de onde vem a ideia e o que diz a ciência.
Força nuclear forte. É a mais forte de todas, mas só atua a distâncias minúsculas. Mantém o núcleo de cada átomo inteiro, contra a repulsão elétrica entre os protões, que têm todos carga positiva.
Força nuclear fraca. Também de alcance muito curto, transforma neutrões em protões e protões em neutrões. É a responsável por um tipo de radioatividade, o decaimento beta: é assim que o carbono-14, usado para datar restos antigos, se transforma em azoto. Segundo a HyperPhysics, da Universidade Estadual da Geórgia, é também necessária para que o Sol brilhe.

Cada força tem uma partícula que a transporta: o fotão no eletromagnetismo, os gluões na força forte, os bosões W e Z na força fraca. Para a gravidade, prevê-se um «gravitão», que nunca foi encontrado.

O que nunca se perde: as leis de conservação

Algumas grandezas mantêm o seu total, aconteça o que acontecer, desde que o sistema esteja isolado do resto. São talvez as leis da física mais seguras que se conhecem.

Energia. Não se cria nem se destrói: muda de forma. A energia química da comida passa a movimento e a calor; a de uma barragem passa a eletricidade.
Quantidade de movimento. Num sistema isolado, o total é constante. É por isso que um foguetão sobe ao lançar gases para baixo.
Carga elétrica. A carga total de um sistema isolado nunca muda. Quando se esfrega um balão no cabelo, os eletrões passam de um lado para o outro, mas a soma fica igual.

Barragem de Salamonde, em Vieira do Minho, com a parede curva de betão entre encostas verdes

Há uma nuance: um sistema perfeitamente isolado não existe, porque nada blinda a gravidade. As leis aplicam-se ao conjunto, contando tudo o que entra e sai.

Quais são as três leis de Newton?

São as leis do movimento que Isaac Newton publicou nos Principia, no século XVII, e que ainda hoje servem para quase tudo à escala humana.

Exemplar dos Principia de Newton, de 1687, aberto na página de rosto

Primeira lei (inércia). Um corpo parado fica parado, e um corpo em movimento continua em linha reta à mesma velocidade, a menos que uma força desequilibrada atue sobre ele. É por isso que o corpo segue em frente quando o autocarro trava de repente.

Segunda lei. A aceleração de um corpo depende da força aplicada e da sua massa: a mesma força acelera menos um objeto mais pesado. Empurrar um carrinho de compras vazio é fácil; cheio, custa mais a arrancar.

Terceira lei. Quando um corpo exerce uma força sobre outro, recebe uma força igual e de sentido contrário. Ao nadar, empurra-se a água para trás e a água empurra o nadador para a frente.

A teoria da relatividade explicada de forma simples

Einstein não anulou Newton: mostrou onde as suas leis deixam de chegar, a velocidades muito altas e com gravidade muito intensa.

Relatividade restrita (1905)

A velocidade da luz no vazio, cerca de 300.000 km por segundo, é a mesma para todos os observadores, estejam parados ou em movimento. Daí resultam consequências estranhas: o espaço e o tempo deixam de ser independentes, e um relógio em movimento rápido marca o tempo mais devagar do que um parado. É também desta teoria que vem a equivalência entre massa e energia, a famosa E = mc².

Relatividade geral (1915)

Em novembro de 1915, Einstein apresentou em Berlim uma nova ideia da gravidade: não como uma força à distância, mas como a curvatura do espaço-tempo provocada pelas massas. A Terra segue a curva que o Sol cria à sua volta. Uma consequência: perto de uma grande massa, o tempo passa mais devagar.

O GPS do telemóvel conta com Einstein

Os relógios dos satélites de GPS sentem os dois efeitos. Pelas contas do astrónomo Richard Pogge, da Universidade Estadual do Ohio, a velocidade dos satélites atrasa-os cerca de 7 microssegundos por dia (relatividade restrita), e a gravidade mais fraca lá em cima adianta-os cerca de 45 (relatividade geral). Saldo: cerca de 38 microssegundos por dia. Sem essa correção, os erros de posição acumulariam cerca de 10 km por dia.

Foguetão Atlas V a descolar do Cabo Canaveral com um satélite de GPS, em outubro de 2014

O que ainda está por explicar

As leis da física descrevem o universo com enorme precisão, mas não todo ele.

A gravidade e a física quântica não encaixam. A física quântica descreve muito bem o muito pequeno, e a relatividade geral o muito grande. Segundo o CERN, ninguém conseguiu ainda tornar as duas compatíveis num único quadro. Por isso, o Modelo Padrão das partículas, apesar de muito bem testado, está incompleto.
Matéria escura e energia escura. Segundo a NASA, a matéria comum, a de que somos feitos, é cerca de 5% do universo. A matéria escura, que se nota pela gravidade mas não se vê, será cerca de 27%. A energia escura, que acelera a expansão do universo, cerca de 68%. Ninguém sabe ainda o que são.

Tudo o que se vê no céu é, afinal, uma pequena parte do que existe. Para quem gosta de perguntas, é uma boa notícia.