10 descobertas da física que redefiniram a realidade

Objetivo deste ranking

Reunir em um único lugar as descobertas que reorganizaram a física como descrição do mundo, informando o que foi estabelecido, por qual caminho experimental ou teórico, em que ambiente institucional e com quais consequências verificáveis dentro e fora da ciência.

O texto foi escrito para quem quer entender por que cada achado importou, e não apenas quando ocorreu. As instituições que mantêm registro documental sobre cada tema estão listadas ao final, para que a consulta às fontes primárias dispense a intermediação desta síntese.

Critérios de seleção

Os critérios abaixo foram definidos antes da montagem da lista e aplicados a todos os candidatos avaliados. Eles explicam por que uma descoberta entrou e por que ficou onde ficou.

• Alcance unificador

  Peso 1 — decisivo

  Quantidade de fenômenos antes tratados como independentes que passaram a ser descritos por um mesmo conjunto de princípios. Sínteses que reuniram domínios distantes entre si, como o movimento dos planetas e a queda dos corpos, pontuam no topo da escala.

• Abertura de campos de pesquisa

  Peso 2 — alto

  Número de linhas de investigação que passaram a existir a partir do achado, incluindo áreas que hoje têm institutos, periódicos e formação próprios. Avalia a fertilidade do resultado, e não apenas sua correção.

• Confirmação experimental independente

  Peso 3 — alto

  Existência de verificações feitas por grupos sem vínculo com os autores originais, de preferência por métodos diferentes dos empregados na descoberta. Previsões arriscadas que se confirmaram pontuam acima de acomodações de dados já conhecidos.

• Dependência tecnológica atual

  Peso 4 — médio

  Volume e diversidade de dispositivos e infraestruturas em uso corrente que operam sobre o princípio descoberto. Mede o quanto a vida material dependeria de outra explicação caso aquela estivesse errada.

• Permanência do núcleo conceitual

  Peso 5 — médio

  Grau de sobrevivência da formulação original ao escrutínio posterior. Teorias cujo núcleo continua válido dentro de um domínio bem delimitado pontuam acima das que exigiram reformulação completa.

Metodologia

A seleção partiu de 41 candidatas, reunidas a partir de obras de história da física publicadas por editoras universitárias, dos textos de apresentação dos comitês de premiação científica e de documentos de referência de sociedades nacionais de física. Nessa etapa inicial nenhuma candidata foi descartada por juízo de importância.

Cada candidata passou por conferência de data de publicação, autoria e conteúdo do resultado em pelo menos duas fontes independentes, sendo ao menos uma institucional. Nove foram eliminadas nessa fase: cinco por atribuição de prioridade contestada sem consenso documental, três por datas divergentes entre as fontes consultadas e uma por descrição popular que não corresponde ao conteúdo do trabalho original.

Às 32 restantes aplicamos os cinco critérios na ordem de peso declarada. O alcance unificador funcionou como filtro de topo: sínteses que reuniram domínios distintos ocuparam as quatro primeiras posições, e resultados de grande valor porém circunscritos a um domínio foram deslocados para a segunda metade da lista. Empates foram resolvidos pelo critério de maior peso em que as candidatas se diferenciavam.

Descobertas construídas ao longo de décadas por várias equipes, sem marco único defensável, foram tratadas como uma só posição, com intervalo de anos em vez de data isolada. É o caso da mecânica quântica, do eletromagnetismo e das leis da termodinâmica. Nesses casos, o texto indica a data de cada etapa decisiva.

O bóson de Higgs foi a primeira candidata excluída e merece registro explícito. A partícula havia sido prevista em 1964 em trabalhos independentes de Peter Higgs e da dupla formada por François Englert e Robert Brout, e sua detecção foi anunciada em julho de 2012 pela Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear. O Prêmio Nobel de Física de 2013 foi concedido a Higgs e Englert; Brout havia morrido em 2011. Ela ficou fora porque o mecanismo que a partícula confirma pertence ao arcabouço quântico já representado na terceira posição, e porque os critérios de dependência tecnológica e de abertura de campos ainda não podem ser avaliados a uma década do anúncio.

Período considerado

De 1687 a 2016. O recorte abre em 1687, com a publicação dos Principia de Newton, primeiro tratado a descrever fenômenos terrestres e celestes por um mesmo conjunto de equações. Fecha em 2016, ano do anúncio da primeira detecção direta de ondas gravitacionais, resultado que encerrou um ciclo de um século aberto pela relatividade geral. Nada anterior a 1687 foi considerado, porque o critério central deste ranking exige formulação matemática testável, e não apenas descrição qualitativa correta.

Contexto histórico

As dez posições cobrem 329 anos, mas se distribuem de forma muito desigual por eles. Uma está no século XVII, duas no XIX, seis no XX e uma no XXI. Mais notável ainda é a concentração em um intervalo curto: cinco posições ocorreram entre 1896 e 1938, quatro décadas em que a descrição da matéria foi refeita da superfície ao núcleo.

Essa concentração tem explicação institucional. Entre o fim do século XIX e o início do XX consolidaram-se laboratórios permanentes com orçamento próprio e especialização técnica: o Cavendish em Cambridge, o laboratório de criogenia de Leiden, os institutos Kaiser Wilhelm em Berlim, a escola de física teórica de Copenhague. Cada um deles reunia instrumentação inacessível a indivíduos isolados, oficinas mecânicas próprias e uma população estável de estudantes de doutorado. A física deixou de ser atividade de pessoas com recursos privados e passou a ser profissão assalariada.

A escala do trabalho mudou de forma igualmente drástica. O tratado de 1687 tem um autor; o artigo de 1865 tem um; o de 1911 sobre o núcleo, um, apoiado em dados de dois colaboradores nomeados; o de 2016 sobre ondas gravitacionais tem mais de mil signatários e depende de duas instalações construídas ao custo de centenas de milhões. A transição do autor individual para a colaboração de grande porte é um dos fatos mais importantes da história recente da disciplina, e ela torna a própria noção de descobridor progressivamente inadequada.

A política atravessa esta lista de ponta a ponta. A fissão foi descoberta em Berlim por uma equipe desfeita pelas leis raciais nazistas, e interpretada por uma de suas integrantes já em exílio na Suécia. O êxodo de físicos da Europa central nos anos 1930 transferiu para os Estados Unidos e para o Reino Unido uma geração inteira de pesquisadores, deslocamento cujo efeito sobre a geografia da física se observa nas posições finais da lista.

Cientistas relacionados

Nomes citados nas posições deste ranking, na ordem em que aparecem. O número ao lado indica a posição correspondente.

• Isaac Newton #1
• Michael Faraday #2
• James Clerk Maxwell #2
• Max Planck #3
• Niels Bohr #3
• Werner Heisenberg #3
• Erwin Schrödinger #3
• Max Born #3
• Albert Einstein #4
• James Prescott Joule #5
• Julius Robert von Mayer #5
• Hermann von Helmholtz #5
• Rudolf Clausius #5
• William Thomson #5
• Henri Becquerel #6
• Marie Skłodowska-Curie #6
• Pierre Curie #6
• Ernest Rutherford #7
• Hans Geiger #7
• Ernest Marsden #7
• Otto Hahn #8
• Fritz Strassmann #8
• Lise Meitner #8
• Otto Frisch #8
• Heike Kamerlingh Onnes #9
• Rainer Weiss #10
• Barry Barish #10
• Kip Thorne #10

Impacto científico do conjunto

O conjunto não é uma soma de resultados independentes: é uma cadeia de dependências explícitas. As leis de Kepler, que Newton explicou, vieram de observações que ele não fez; as equações de Maxwell produziram o problema que a relatividade restrita resolveu; a radioatividade forneceu os projéteis com que se descobriu o núcleo; o núcleo criou o problema de estabilidade que a quantização resolveu; a equivalência entre massa e energia deu à fissão sua contabilidade; a relatividade geral previu as ondas detectadas um século depois. Em pelo menos seis das dez posições, o achado só foi possível porque outra posição da mesma lista o antecedeu.

Há um segundo efeito, menos evidente, que é metodológico. Cada posição legitimou uma forma de investigar. Newton definiu o que é uma teoria física. O espalhamento de Rutherford estabeleceu que se pode inferir estrutura interna a partir de padrões de desvio, princípio de todo acelerador construído depois. Kamerlingh Onnes mostrou que criar uma condição experimental extrema é, por si, um programa de descoberta. Weiss, Barish e Thorne demonstraram que instrumentos podem ser projetados para medir efeitos previstos décadas antes de existir tecnologia para tanto.

Nenhuma dessas descobertas encerrou seu campo, e vale dizê-lo com clareza. A mecânica quântica e a relatividade geral permanecem mutuamente incompatíveis em regimes de gravidade intensa, problema aberto desde a década de 1930. A supercondutividade em altas temperaturas não tem teoria aceita. A distribuição das massas dos buracos negros observados desafia os modelos de formação estelar. O que estas dez posições produziram foi um conjunto de perguntas mais precisas, e não o fim das perguntas.

Impacto social do conjunto

A consequência material mais ampla deste conjunto é a disponibilidade de eletricidade e de eletrônica. A geração e a transmissão de energia elétrica operam sobre a indução descoberta em 1831; os dispositivos que consomem essa energia para processar informação operam sobre a física quântica dos sólidos. As duas posições combinadas sustentam a infraestrutura de iluminação, refrigeração, comunicação, transporte e produção industrial em uso corrente, e não há substituto conceitual para elas.

A segunda consequência é a capacidade de medir. Relógios atômicos, padrões de tensão baseados em junções supercondutoras, escalas absolutas de temperatura, datação radiométrica e a redefinição do quilograma a partir da constante de Planck fizeram da metrologia uma aplicação direta de física fundamental. Sistemas de posicionamento por satélite, que corrigem efeitos relativistas em tempo real, tornaram-se insumo de logística, agricultura, topografia e navegação civil.

Os efeitos não foram uniformemente benéficos, e dois deles são de gravidade histórica. A fissão nuclear gerou, em menos de uma década, armas empregadas contra populações civis e uma corrida armamentista que definiu a política internacional por cinquenta anos. A radioatividade foi manipulada por décadas sem noção dos danos que causava, com consequências documentadas para trabalhadores e pesquisadores. Em ambos os casos, a regulação veio depois do dano, e não antes.

Há ainda um efeito de expectativa. A partir de 1919, quando um eclipse observado em Sobral e no Príncipe confirmou uma previsão feita com papel e caneta, consolidou-se socialmente a ideia de que a física é capaz de antecipar fenômenos jamais observados. Essa reputação sustentou, ao longo do século XX, decisões de financiamento público de longuíssimo prazo, das quais os detectores de ondas gravitacionais são o exemplo extremo: quarenta anos de investimento antes do primeiro resultado.

Limitações do ranking

O critério de unificação premia a síntese e penaliza o instrumento. Ao colocar no topo as descobertas que reuniram domínios distintos, esta lista favorece sistematicamente o trabalho teórico. Avanços de instrumentação sem os quais nada disso seria observável — a bomba de vácuo, a placa fotográfica, o contador de partículas, o amplificador eletrônico, a criogenia — não aparecem como posições, apenas como contexto. Um ranking de física construído sobre capacidade de medição teria composição substancialmente diferente.

O recorte deixa de fora a física de partículas e boa parte da matéria condensada. Ao exigir alcance unificador e maturação de consequências, a lista não contempla o modelo padrão das interações fundamentais, a confirmação do bóson de Higgs em 2012, a demonstração de que os neutrinos têm massa — reconhecida com o Prêmio Nobel de Física de 2015, concedido a Takaaki Kajita e Arthur McDonald —, o efeito Hall quântico, os condensados de átomos ultrafrios e a física de materiais bidimensionais. São ausências de peso, e são consequência declarada dos critérios.

A concentração geográfica é quase total. Nove das dez posições ocorreram na Europa ocidental, e a décima nos Estados Unidos com participação europeia. Nenhuma contribuição da Ásia, da América Latina ou da África aparece como autoria principal, embora existam: Chandrasekhara Venkata Raman recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1930 pelo espalhamento da luz que leva seu nome, Satyendra Nath Bose desenvolveu a estatística que descreve partículas de spin inteiro sem nunca ser premiado, e Hantaro Nagaoka propôs um átomo de centro concentrado antes de Rutherford. A participação brasileira nesta lista é de sítio de observação, em Sobral, e não de autoria.

Atribuir a poucos nomes distorce trabalho coletivo. A desproporção é mais evidente na última posição, onde três laureados representam uma colaboração de mais de mil pesquisadores, mas atravessa a lista inteira. Técnicos de vidraria, sopradores de tubos, operadores de bombas de vácuo, calculistas e assistentes de laboratório aparecem raramente no registro documental. A exclusão foi especialmente sistemática no caso de mulheres cientistas: a interpretação da fissão nuclear é de Lise Meitner, e o Prêmio Nobel correspondente foi concedido apenas a Otto Hahn.

A ordem é contestável, e a discordância informada é bem-vinda. Um especialista em matéria condensada dificilmente colocaria a supercondutividade em nono lugar; um físico de partículas consideraria indefensável a ausência do modelo padrão; um historiador da técnica inverteria a relação entre teoria e instrumento adotada aqui. O que oferecemos não é a ordenação correta, e sim uma ordenação com critérios e pesos declarados, para que a objeção possa apontar qual critério considera mal escolhido ou mal aplicado.

Encontrou uma imprecisão? A política de correções explica como avaliamos e registramos cada ajuste.

Fontes utilizadas

Referências consultadas na montagem e na revisão desta lista. Endereços externos abrem em nova aba e não são de nossa responsabilidade.

1. Registros oficiais de laureados e textos de apresentação dos comitês de física Fundação Nobel https://www.nobelprize.org/prizes/
2. Arquivo de publicações históricas e registros de sessões da instituição Royal Society, Reino Unido https://royalsociety.org/
3. Documentação sobre física de partículas, aceleradores e ímãs supercondutores Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear https://home.cern/
4. Material de referência sobre gravitação, buracos negros e observação do universo Administração Nacional da Aeronáutica e do Espaço https://science.nasa.gov/
5. Recursos sobre missões de astrofísica e testes observacionais da relatividade Agência Espacial Europeia https://www.esa.int/
6. Artigos originais e material editorial sobre fissão nuclear e ondas gravitacionais Periódico Nature https://www.nature.com/
7. Cobertura editorial e artigos de revisão em física fundamental Periódico Science https://www.science.org/